Теоретическое исследование теплофизических, механических и ультразвуковых свойств слоев NbN на подложках из MgO (001) при высоких температурах

Prajapati A. K.; Chaurasiya V.; Yadawa P. K.

doi:10.31857/S0040364423060121

Теоретическое исследование теплофизических, механических и ультразвуковых свойств слоев NbN на подложках из MgO (001) при высоких температурах

Authors: Prajapati A.¹, Chaurasiya V.¹, Yadawa P.¹
Affiliations:
1. Department of Physics, Prof. Rajendra Singh (Rajju Bhaiya) Institute of Physical Sciences for Study and Research, V. B. S. Purvanchal University
Issue: Vol 61, No 6 (2023)
Pages: 877-885
Section: Thermophysical Properties of Materials
URL: https://journals.rcsi.science/0040-3644/article/view/252387
DOI: https://doi.org/10.31857/S0040364423060121
ID: 252387

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

В работе рассчитаны упругие, механические и теплофизические свойства слоев NbN/MgO (001) в интервале температур 600–900°С с использованием упругих констант более высокого порядка. С учетом двух фундаментальных факторов – расстояния до ближайшего соседа и параметра твердости ‒ упругие постоянные второго и третьего порядка оцениваются с использованием подходов потенциала Борна–Майера. Вычисленные значения постоянной второго порядка использовались для расчета модуля Юнга, теплопроводности, анизотропии Зенера, модуля объемного сжатия, плотности тепловой энергии, модуля сдвига, а также коэффициента Пуассона с целью оценки тепловых и механических свойств слоев NbN/MgO (001). Упругая постоянная второго порядка также используется для расчета скоростей волн для сдвиговых и продольных мод распространения вдоль кристаллических ориентаций [100], [110], [111]. Оценены зависящие от температуры средняя скорость Дебая, твердость и ультразвуковые параметры Грюнайзена. Отношение трещиностойкости B/G в текущем исследовании превышает 1.75, и наноструктурированный слой NbN/MgO (001) является пластичным в рассматриваемом температурном диапазоне. Выбранные материалы полностью удовлетворяют требованиям Борна по механической стабильности. Рассчитано время тепловой релаксации, а также ослабление ультразвуковых волн за счет термоупругой релаксации и механизма фонон-фононного взаимодействия. Результаты вместе с другими хорошо известными физическими характеристиками полезны для инженерного применения.

References

Hultman L. Thermal Stability of Nitride Thin Films // Vacuum. 2000. V. 57. № 1. P. 1.
Johansson B.O., Sundgren J.E., Greene J.E., Rockett A., Barnett S.A. Growth and Properties of Single Crystal TiN Films Deposited by Reactive Magnetron Sputtering // J. Vac. Sci. Technol., A. 1985. V. 3. № 2. P. 303.
Papaconstantopoulos D., Pickett W., Klein B., Boyer L. Electronic Properties of Transition-metal Nitrides: The Group-V and Group-VI Nitrides VN, NbN, TaN, CrN, MoN, and WN // Phys. Rev. B. 1985. V. 31. № 2. P. 752.
Musil J. Hard and Superhard Nanocomposite Coatings // Surf. Coat. Technol. 2000. V. 125. P. 322.
Keskar K.S., Yamashita T., Onodera Y. Superconducting Transition Temperatures of R. F. Sputtered NbN Films // Jpn. J. Appl. Phys. 1971. V. 10. № 3. P. 370.
Shin C.-S., Rudenja S., Gall D., Hellgren N., Lee T.-Y., Petrov I., Greene J.E. Growth, Surface Morphology, and Electrical Resistivity of Fully Strained Substoichiometric Epitaxial TiNx (0.067 ≤ x < 1.0) Layers on MgO(001) // J. Appl. Phys. 2004. V. 95. № 1. P. 356.
Seo H.-S., Lee T.-Y., Wen J.G., Petrov I., Greene J.E., Gall D. Growth and Physical Properties of Epitaxial HfN Layers on MgO(001) // J. Appl. Phys. 2004. V. 96. № 1. P. 878.
Wang Z., Terai H., Qiu W., Makise K., Uzawa Y., Kimoto K., Nakamura Y. High-quality Epitaxial NbN/AlN/NbN Tunnel Junctions with a Wide Range of Current Density // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 102. № 14. P. 142604.
Wang Z., Kawakami Y., Uzawa Y., Komiyama B. Superconducting Properties and Crystal Structures of Single-crystal Niobium Nitride Thin Films Deposited at Ambient Substrate Temperature // J. Appl. Phys. 1996. V. 79. № 1. P. 7837.
Treece R.E., Osofsky S.F., Skelton E.F., Qadri S.B., Chrisey D.B. New Phase of Superconducting NbN Stabilized by Heteroepitaxial Film Growth // Phys. Rev. B. 1995. V. 51. № 14. P. 9356.
Kidszun M., Hühne R., Holzapfel B., Schultz L. Ion-beam-assisted Deposition of Textured NbN Thin Films // Supercond. Sci. Technol. 2010. V. 23. № 2. 025010.
Treece R.E., Horwitz J.S., Qadri S.B., Skelton E.F., Donovan E.P. Metastable Nitride Synthesis by Pulsed Laser Deposition: A New Phase in the NbNx System // J. Solid State Chem. 1995. V. 117. № 2. P. 294.
Villars P., Calvert L.D. Person’s Handbook of Crystallographic Data for Intermetallic Phases. Materials Park OH: ASM Int., 1991.
Brugger K. Thermodynamic Definition of Higher Order Elastic Coefficients // Phys. Rev. 1964. V. 133. № 6A. P. A1611.
Ghate P.B. Third-order Elastic Constants of Alkali Halide Crystals // Phys. Rev. 1965. V. 139. № 6A. P. A1666.
Mori Sh., Hiki Yo. Calculation of the Third- and Fourth-order Elastic Constants of Alkali Halide Crystals // J. Phys. Soc. Jpn. 1978. V. 45. № 5. P. 1449.
Yadawa P.K., Yadav R.R. Multidiscipline Modeling in Materials and Structures // Multidiscip. Model. Mater. Struct. 2009. V. 5. № 1. P. 59.
Hill R. The Elastic Behaviour of a Crystalline Aggregate // Proc. Phys. Soc. Sec. A. 1952. V. 65. № 5. P. 349.
Singh D., Kaushik S., Tripathi S., Bhalla V., Gupta A.K. Temperature-dependent Elastic and Ultrasonic Properties of Berkelium Monopnictides // Arabian. J. Sci. Eng. 2014. V. 39. № 1. P. 485.
Pugh S.F. XCII. Relations between the Elastic Moduli and the Plastic Properties of Polycrystalline Pure Metals // Philos. Mag. 1954. V. 45. № 367. P. 823.
Pettifor D.G. Theoretical Predictions of Structure and Related Properties of Intermetallics // Mater. Sci. Technol. 1992. V. 8. № 4. P. 345.
Bhajanker S., Srivastava V., Pagare G., Sanyal S.P. Mechanical and Thermal Properties of Praseodymium Monochalcogenides and Monopnictides under Pressure // J. Phys. Conf. Ser. 2012. V. 377. 012080.
Chen X.Q., Niu H., Li D., Li Y. Modeling Hardness of Polycrystalline Materials and Bulk Metallic Glasses // Intermetallics. 2011. V. 19. № 9. P. 1275.
Fine M.E., Brown L.D., Marcus H.L. Elastic Constants versus Melting Temperature in Metals // Scr. Metall. 1984. V. 18. № 9. P. 951.
Bhalla V., Singh D., Jain S.K. Mechanical and Thermophysical Properties of Rare-Earth Monopnictides // Int. J. Comput. Mater. Sci. Eng. 2016. V. 5. № 3. 1650012.
Physical Acoustics / Ed. Mason W.P. N.Y.: Acad. Press Inc., 1965. V. 1. P. 237.
Mason W.P., Bateman T.B. Relation between Third-order Elastic Moduli and the Thermal Attenuation of Ultrasonic Waves in Nonconducting and Metallic Crystals // J. Acoustic Soc. 1966. V. 40. № 4. P. 852.
American Institute of Physics Handbook / Ed. Gray D.E. 3rd ed. N.Y.: McGraw Hill Co., 1972. 2359 p.
Oligschleger C., Jones R.O., Reimann S.M., Schober H.R. Model Interatomic Potential for Simulations in Selenium // Phys. Rev. B. 1996. V. 53. № 10. P. 6165.
Zhang K., Balasubramanian K., Ozsdolay B.D., Mulligan C.P., Khare S.V., Zheng W.T., Gall D. Growth and Mechanical Properties of Epitaxial NbN(001) Films on MgO(001) // Surf. Coat. Technol. 2016. V. 288. P. 105.
Landa M., Novák V., Sedlák P., Šittner P. Ultrasonic Characterization of Cu–Al–Ni Single Crystals Lattice Stability in the Vicinity of the Phase Transition // Ultrasonics. 2004. V. 42. № 1–9. P. 519.
Singh D., Tripathi S., Pandey D.K., Gupta A.K., Singh Dh.K., Kumar J. Ultrasonic Wave Propagation in Semi-metallic Single Crystals // Mod. Phys. Lett. B. 2011. V. 25. № 31. P. 2377.
Kanchana V., Vaitheeswaran G., Zhang X., Ma Y., Svane A., Erriksson O. Lattice Dynamics and Elastic Properties of the 4f Electron System: CeN // Phys. Rev. B. 2011. V. 84. № 20. 205135.
Singh S.P., Yadawa P.K., Dhawan P.K., Verma A.K., Yadav R.R. Effect of Pressure and Electrical Resistivity on Ultrasonic Properties of MgB2 Single Crystal at Low Temperatures // Cryogenics. 2019. V. 100. P. 105.
Yadawa P.K. Effect of Temperature Dependence Ultrasonic Velocities and Attenuation of GaP Nanowires // J. Theor. Appl. Phys. 2016. V. 10. № 3. P. 203.
Singh D., Yadawa P.K., Sahu S.K. Effect of Electrical Resistivity on Ultrasonic Attenuation in NpTe // Cryogenics. 2010. V. 50. № 8. P. 476.