Ab initio and phenomenological modeling of materials related to CVD hard coatings

Abstract

Denna avhandling behandlar två olika typer av modellering: modellering från första principer och modellering baserat på CALPHAD-metoden. Dessa två metoder utgör två helt olika tillvägagångssätt i modelleringen av material. För modellering från första principer används täthetsfunktionalteori (eng. förk. DFT), som behandlar elektrondensiteten och baserat på kvantmekanik förutsäger materials egenskaper. CALPHAD är en metod där varje fas i ett materialsystem beskrivs av en termodynamisk tillståndsfunktion som anpassats utifrån en termodynamisk utvärdering där många typer av experimentella data samlas in (och även data från första princip-beräkningar). Generellt modelleras material på en större skala i CALPHAD än med DFT, och CALPHAD-modellerna kopplas ofta till modeller som kan simulera längre längd- och tidsskalor. Första princip-modellering å andra sidan, ger detaljerad insikt i elektronstruktur och atomernas ordnande och rörelser. Denna modellering baseras idealt inte på någon empirisk data alls, utan helt på fysikens grundläggande lagar.Modelleringen i denna avhandling handlar främst om att förbättra förståelsen för de material som beläggs med kemisk ångdeponering (eng. förk. CVD), och i någon mån även beläggningsprocesserna i sig, även om de är mycket komplicerade. Detta inkluderar både modellering av ytor, men också modellering av bulk och gränsskikt. Ur ett makroskopiskt perspektiv är så kallade ytbeläggninar relaterad med ytegenskaper, men många beläggningar för skärande bearbetning är flera mikrometer tjocka, vilket ur ett atomistiskt perspektiv är detsamma som bulken. Det är endast de yttersta nanometrarna som påverkas nämnvärt av en yta.Därför krävs också modellering på flera olika skalor. Vid första princip-beräkningar kan numera, i normala fall, omkring 500 atomer tas med i beräkningen. Det innebär på sin höjd omkring 2–3 nm tjocklek. För att nå större storleksordningar måste andra tekniker användas med lägre precision och vilka kan vara svåra att konstruera, eller som redan nämnts, så kan till exempel CALPHAD användas.I detta arbete har i stort följande områden undersökts: Simuleringav diffusion i en Ni-baslegering under en beläggningsprocess; vakansbildningsenergier, ytenergier och segregeringsenergier i oordnad (Al,Ti)N samt adsorptions- och gränskiktsberäkningar för samma ämne; temperaturberoende för ytenergier hos TiN(001) och olika W-ytor; termodynamiska beräkningar för TiN-beläggning på ett CoCrFeNi-substrat.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-304908