Properties of multilayered and multicomponent nitride alloys from first principles

Abstract

This thesis is a theoretical exploration of properties of multilayered and multicomponent nitride alloys, in particular their mixing thermodynamics and elastic behaviors. Systematic investigation of properties of a large class of materials, such as the multicomponent nitride solid solutions, is in line with the modern approach of high-throughput search of novel materials. In this thesis we benchmark and utilize simple but efficient methodological frameworks in predicting mixing thermodynamics, Young’s moduli distribution of multilayer alloys and the linear thermal expansion of quaternary nitride solid solutions. We demonstrate by accurate ab-initio calculations that Ti1 xAlxN solid solu-tion is stabilized by interfacial effects if it is coherently sandwiched between TiN layers along (001). For TiN/AlN and ZrN/AlN multilayers we show higher ther-modynamic stability with semicoherent interfaces than with isostructural coherent ones. Accurate 0 Kelvin elastic constants of cubic TixXyAl(1-x-y)N (X=Zr, Hf, Nb, V, Ta) solid solutions and their multilayers are derived and an analytic comparison of strengths and ductility are presented to reveal the potential of these materials in hard coating applications. The Young’s moduli variation of the bulk materials has provided a reliable descriptor to screen the Young’s moduli of coherent multilayers. The Debye model is used to reveal the high-temperature thermodynamics and spinodal decomposition of TixXyAl(1-x-y)N. We show that though the effect of vibration is large on the mixing Gibbs free energy the local spinoal decomposition tendencies are not altered. A quasi-harmonic Debye model is benchmarked against results of molecular dynamics simulations in predicting the thermal expansion coefficients of TixXyAl(1-x-y)N (X=Zr, Hf, Nb, V, Ta).

Diese Arbeit ist eine theoretische Untersuchung der Eigenschaften von mehrschichtigen und mehrkomponentigen Nitridlegierungen, insbesondere deren Mischungs-Thermodynamik und elastischen Verhalten. Eine systematische Untersuchung von Eigenschaften einer großen Klasse von Materialien, wie zum Beispiel fester Lösungen von Mehrkomponenten-Nitriden, ist im Einklang mit dem zeitgenössischen Hochdurchsatzverfahren für die Suche nach neuen Materialien. In dieser Arbeit benchmarken und nutzen wir einfache, aber effiziente methodische Frameworks zur Vorhersage der Mischungs-Thermodynamik, der Verteilung des Elastizitätsmoduls von Mehrschichtlegierungen und der linearen thermischen Ausdehnung von festen, quaternären Nitrid-Lösungen. Wir zeigen durch genaue Ab-initio-Berechnungen, dass Ti1xAlxN Mischkristalle durch Grenzflächenwirkungen stabilisiert werden, wenn sie kohärent zwischen TiN Schichten entlang (001) sandwichartig angeordnet sind. Die genauen elastischen Konstanten von kubischen TixXyA(1-x-y)N (X = Zr,Hf, Nb, V, Ta) Mischkristallen und deren Mehrfachschichten bei 0 Kelvin werden abgeleitet und ein analytischer Vergleich der Festigkeit und Duktilität zeigt das Po-tential dieser Materialien in Hartbeschichtungsanwendungen. Das Debye-Modell wird verwendet, um die Hochtemperatur-Thermodynamik und die spinodale Entmischung von TixXyA(1-x-y)N aufzudecken. Wir zeigen, dass sich die lokale Tendenzen zur spinodalen Entmischung nicht ändern, obwohl die Wirkung von Vibrationen auf die Gibbs-Energie groß ist. Ein quasi-harmonisches Debye-Modell wird gegen die Ergebnisse von Moleküldynamik-Simulationen gebenchmarkt, um die thermische Ausdehnungskoeffizienten von TixXyA(1-x-y)N (X=Zr, Hf, Nb, V, Ta) vorherzusagen.