Estimation of formation enthalpies for transition metal mono nitrides, carbides and oxides

Lehrstuhl für Theoretische Hüttenkunde, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, D-5100 Aachen, Germany.

Abstract

Transition metal compounds with the NaCl structure are the constituent components of many metastable multicomponent layer materials deposited at low substrate temperatures. If transition metal nitrides, for example, are combined with AIN (hex. ZnS structure), a metastable ternary solution phase having either the NaCl or the ZnS structure is formed. Phase diagram calculations in these systems require a knowledge of the Gibbs energy G(T) of the binary components in both structures. However, formation enthalpies of the metastable modifications are difficult to obtain with sufficient accuracy.

Therefore, a new method is proposed to enable estimation of such data. This method accurately accounts for the crystallographic characteristics of both structures under consideration. Its application is demonstrated in detail for the transition metal nitrides with NaCl structure.

Calorimetric measurements in the metastable system (Ti, Al)N provide experimental refinement of the estimation method.

Résumé

Les composés de métaux de transition, avec des structures type NaCl, sont les constituants de nombreux matériaux multicomposants en couches obtenus par dépôt sur des substrats à basses températures. Si des nitrures de métaux de transition par exemple sont combinés avec AIN (hexagonal, ZnS), une phase ternaire métastable est formée, avec une structure NazCl ou ZnS. La modélisation des diagrammes de phases dans ces systèmes nécessite la connaissance de l'enthalpie libre de Gibbs G (T), des composants binaires dans chacune des structures. Cependant, les enthalpies de formation des formes raetastables sont difficiles à déterminer avec une précision suffisante.

Une nouvelle méthode est proposée pour permettre l'estimation de telles quantités. Les caractéristiques cristallographiques des deux structures considérées sont bien décrites. Une applications aux nitrures de métaux de transition, avec la structure NaCl, sert d'exemple démonstratif. Des mesures calorimétriques dans le système métastable (Ti, Al)N apportent des améliorations aux estimations.