14.4. Многослойные наноструктурированные материалы

Другой тип объёмных наноструктур состоит из периодически расположенных слоёв различных материалов нанометровой толщины, например, чередующихся слоёв TiN и NbN. Такие слоистые материалы изготавливаются разнообразными газофазными методами – например, осаждением, напылением, либо химическим осаждением паров. Возможно применение и гальванических методов. Эти материалы имеют очень большие значения удельных площадей поверхности раздела. Например, квадратный сантиметр многослойной плёнки толщиной 1 мкм с толщиной слоёв 2 нм имеет площадь поверхности раздела ~1000 см². Так как плотность материала составляет около 6,5 г/см³, его удельная площадь поверхности равна ~154 м²/г, что сравнимо со значениями для типичных гетерогенных катализаторов. Как правило, области раздела оказывают сильное влияние на свойства наноматериалов. Эти слоистые материалы имеют высокую твёрдость, зависящую от толщины слоёв, и хорошую износостойкость. Твёрдость измеряется с помощью установки, называющейся наноиндентометром и регистрирующей глубину погружения и нагрузку при вдавливании в материал алмазного индентора в виде пирамиды. При этом регистрируют данные о нагрузке L(h) и смещении h индентора. Твёрдость определяется как L(h)/A(h), где A(h) – площадь отпечатка после снятия нагрузки. Обычно измерения производятся с постоянной скоростью нагружения, составляющей ~20 мН/с. В результате получается график, изображенный на рис. 14.9.

Период бислойной структуры, нм

Рис. 14.9. Зависимость твердости бислойный TiN/NbN

– структуры от периода решетки

График на рис. 14.9 приведен для многослойной структуры TiN/NbN (зависимость твердости от периода слоистости, т.е. суммарной толщины двух слоев), откуда видно, что при уменьшении толщины слоев до ~ 30 нм твердость существенно увеличивается, а далее стабилизируется и остается постоянной. Выяснилось, что твердость увеличивается за счет несовпадения кристаллических структур соседних слоев. Нитрид титана и нитрид ниобия имеют один и тот же тип решетки – NCl-структуру, но с параметрами 0,4235 и 0,5151 нм, т.е. несоответствие решеток достаточно велико, как и твердость получающегося материала. Было установлено, что более твердые материалы имеют большую разность модулей сдвига слоев. При этом многослойные материалы, чередующиеся слои которых имеют разную кристаллическую структуру, оказываются еще более твердыми. В описанной ситуации дислокациям сложнее перемещаться между слоями, и они, по сути, локализуются в определенных областях структуры, что и приводит к увеличению твердости.