Эволюция микроструктуры и механических свойств наноструктурированных пленок NiFe под действием температурной обработки

Наноструктурированные пленки NiFe были синтезированы методом импульсного электролитического осаждения на кремнии с золотым подслоем, после чего подвергались температурной обработке при 373–673 К с целью изучения влияния термообработки на микроструктуру и механические свойства объектов исследования. Атомно-силовая микроскопия высокого разрешения позволила проследить этапы эволюции микроструктуры под действием термической обработки, включающие процесс нелинейного увеличения роста зерен и двухстадийную агломерацию. Показано, что с ростом температуры термообработки до 673 К размер зерна увеличивается с 68 до 580 нм по сравнению с исходным образцом, претерпевая процессы агломерации при температурах 100 и 300 °C. Механические свойства наноструктурированных пленок NiFe изучены методом наноиндентирования. Получены и проанализированы зависимости твердости модуля Юнга и значений сопротивления упругопластической деформации от глубины. Данный подход позволил выявить различия в поведении механических свойств поверхностного слоя и внутреннего объема пленки под действием различных температур термообработки, а также продемонстрировать противоположную реакцию разных слоев материала на повышение температуры. В результате анализа деформационных кривых наноиндентирования установлено, что гомогенизация поверхности в сочетании с активацией процессов окисления приводят к упрочнению приповерхностного слоя пленок NiFe. В то же время внутренний объем материала характеризуется нелинейным уменьшением твердости и модуля Юнга при росте температуры термообработки. Объяснение этого явления найдено в комплексном влиянии уменьшения количества межзеренных границ (вследствие увеличения среднего размера зерен с повышением температуры) и увеличения концентрации атомов золота, диффундирующих из подслоя более активно при росте температуры обработки пленок NiFe.

1. Properties and Applications for Electrodeposited Nanocrystalline Fe-Ni Alloys / J. L. McCrea [et al.] // Reviews on Advanced Materials Science. 2003. Vol. 5. P. 252-258.

2. Electrodeposition of Ni-Fe Alloys, Composites, and Nano Coatings - a Review / V. Torabinejad [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 691. P. 841-859. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.08.329.

3. Koch, C. C. Structural Nanocrystalline Materials: an Overview / C. C. Koch // Journal of Materials Science. 2007. Vol. 42, Nо 5. P. 1403-1414. https://doi.org/10.1007/s10853-006-0609-3.

4. Nicolaescu, D. Modelling of a Magnetic Sensor Based on Vacuum Field Emission / D. Nicolaescu, V. Filip // Applied Surface Science. 1996. Vol. 94-95. P. 87-93. https://doi.org/10.1016/0169-4332(95)00355-x.

5. Highly Sensitive and Selective Toluene Sensor of Bimetallic Ni/Fe-MOFs Derived Porous NiFe2O4 Nanorods / Y. Zhan [et al.] // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2019. Vol. 58, Nо 22. P. 9450-9457. https://doi. org/10.1021/acs.iecr.9b01497.

6. Anisotropic Ni-Fe-B Films with Varying Alloy Composition for High Frequency Magnetics on Silicon Applications / R. Anthony [et al.] // Applied Surface Science. 2015. Vol. 357. P. 385-390. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.09.025.

7. Effectiveness of the Magnetostatic Shielding by the Cylindrical Shells / S. S. Grabchikov [et al.] // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2016. Vol. 398. P. 49-53. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2015.08.122.

8. Ralston, K. D. Effect of Grain Size on Corrosion: a Review / K. D. Ralston, N. Birbilis // CORROSION. 2010. Vol. 66, Nо 7. P. 075005-13. https://doi.org/10.5006/1.3462912.

9. Kumar, D. V. Mechanical Characteristics and Electrochemical Behaviour of Electrodeposited Nanocrystalline Iron and Iron-Nickel Alloy / D. V. Kumar, S. Ayyagari, M. J. N. V. Prasad // Materials Chemistry and Physics. 2017. Vol. 201. P. 26-34 https://doi.org/10.1016/j.ma tchemphys.2017.08.025.

10. Hadian, A. S. E. Residual Stresses in Electrodeposits of Nickel and Nickel-Iron Alloys / A. S. E. Hadian, D. R. Gabe // Surface and Coatings Technology. 1999. Vol. 122, Nо 2-3. P. 118-135. https://doi.org/10.1016/s0257-8972(99)00328-x.

11. Koo, B. Electrodeposition of Low-Stress NiFe thin Films from a Highly Acidic Electrolyte / B. Koo, B. Yoo // Surface and Coatings Technology. 2010. Vol. 205, Nо 3. P. 740-744. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat. 2010.07.076.

12. Effect of Ammonium Chloride in Plating Baths on Soft Magnetic Properties of Electroplated Fe-Ni Films / T. Yanai [et al.] // IEEE Transactions on Magnetics. 2017. Vol. 53, Nо 11. Р. 2004303. https://doi.org/10.1109/tmag. 2017.2712803.

13. Segregation Induced Hardening in Annealed Nanocrystalline Ni-Fe Alloy / N. Zhang [et al.] // Materials Science and Engineering: А. 2018. Vol. 735. P. 354-360. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.08.061.

14. Effect of Annealing on Microstructure, Grain Growth, and Hardness of Nanocrystalline Fe-Ni Alloys Prepared by Mechanical Alloying / H. Kotan [et al.] // Materials Science and Engineering: А. 2012. Vol. 552. P. 310-315. https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.05.045.

15. Lee, G.-Y. Annealing Effect on Microstructure and Magnetic Properties of Flake-Shaped Agglomerates of Ni-20 wt. % Fe Nanopowder / G.-Y. Lee, S.-K. Kwon, J. S. Lee // Journal of Alloys and Compounds. 2014. Vol. 613. P. 164-169. https://doi.org/10.1016/j.jallcom. 2014.06.019.

16. Кramer, D. E. Surface Constrained P1asticity: Oxide Rupture and the Yield Point Process / D. E. Кramer, K. B. Yoder, W. W. Gerberich // Philosophical Magazine: А. 2001. Vol. 81, Nо 8. P. 2033-2058. https://doi.org/10.1080/01418610108216651.

17. Anoma1ous Plastic Deformation at Surfaces: Nanoindentation of Gold Single Crystals / S. G. Corcoran [et al.] // Physical Review: В. 1997. Vol. 55, Nо 24. P. R16057-R16060. https://doi.org/10.1103/physrevb.55.r16057.

18. Characterizing Deformation Behaviour of an Oxidized High Speed Steel: Effects of Nanoindentation Depth, Friction and Oxide Scale Porosity / G. Y. Deng [et al.] // International Journal of Mechanical Sciences. 2019. Vol. 155. P. 267-285. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2019.02.043.

19. Thermal Annealing and Magnetic Anisotropy of NiFe thin Films on n-Si for Spintronic Device Applications / Q. Н. Lu [et al.] // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2015. Vol. 394. P. 253-259. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2015.06.066.

20. Nano-Grain Ni/ZrO2 Functional Gradient Coating Fabricated by Double Pulses Electrodeposition with Enhanced High Temperature Corrosion Performance / W. Ge [et al.] // Coatings. 2020. Vol. 10, Nо 4. Р. 332. https://doi.org/10.3390/coatings10040332.

21. Magnetic Characterization of Nickel-Rich NiFe Nanowires Grown by Pulsed Electrodeposition / M. S. Salem [et al.] // Journal of Materials Chemistry. 2012. Vol. 22, Nо 17. P. 8549-8557. https://doi.org/10.1039/c2jm16339j.

22. Oliver, W. C. Measurement of Hardness and Elastic Modulus bу Instrumented Indentation: Advances in Understanding and Refinements to Metrology / W. C. Oliver // Journal of Materials Research. 2004. Vol. 19, Nо 1. P. 3-20. https://doi.org/10.1557/jmr.2004.19.1.3.

23. Головин, Ю. И. Наноиндентирование и его возможности / Ю. И. Головин. М.: Машиностроение, 2009. 313 с.

24. Федосюк, В. M. Влияние параметров электролитического осаждения на структуру и микромеханические свойства пленок Ni-Fe / В. М. Федосюк, Т. И. Зубарь, А. В. Труханов // Вести Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук. 2020. Т. 65, № 2. С. 135-144. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2020-65-2-135-144.