Thermo-mechanical properties and microstructural evolution of thin films for nuclear applications

In recent decades, thin films have assumed a crucial role in a wide range of applications, from energy to construction and metallurgy. Their versatility and ability to improve substrate properties without altering their thickness make them instrumental in multiple contexts. Thermo-mechanical characterization of thin films is of particular importance when they are used in extremely aggressive environments, such as nuclear reactor cores. Phenomena such as embrittlement due to irradiation or corrosion caused by contact with liquid metals can make it impractical to use conventional materials in reactor components. One possible solution is the use of thin films as coatings to improve their durability. The goal is to understand which materials are most resilient to these conditions and, at the same time, to analyze the transformations undergone by film and substrate. We are interested in the response to stresses, changes in microstructure, and adhesion. Thermal stresses caused by the different thermal expansion of film and substrate, as well as crystallization resulting from extreme events or prolonged use, can lead to failure of films, render them unusable or, on the contrary, improve their characteristics. To address this challenge, we chose to use Brillouin spectroscopy, which relies on acoustic wave analysis of films to determine their elastic properties. In addition, we employed the substrate curvature technique, which allows us to evaluate the stresses in the film and its coefficient of thermal expansion. The adoption of such techniques becomes necessary because traditional methodologies for characterizing \textit{bulk} materials cannot be applied. The values of the thermal expansion and stiffness coefficients of the films often differ from those of the bulk material, either because of the presence of a substrate, which greatly changes the characteristics of the material of interest, or because of the small size of the crystalline grains. Samples of tungsten (W), aluminum (Al) and tungsten nitride, both in crystalline and nanocrystalline or amorphous forms, were examined, with a particular interest in their suitability in fusion reactors or fourth-generation fission reactors, the subject of current studies. A trend of increasing stiffness of the films as the crystallinity of the specimens increased was found to be in agreement with reports in the scientific literature. To evaluate the coefficient of thermal expansion (CTE), the samples were heated and the curvature was measured by deflection of laser beams. CTE values for nanocrystalline films deposited by the HiPIMS technique are found to be similar to those of bulk material due to their extreme compactness and high residual stresses that tend to minimize the average interatomic distance. In contrast, amorphous films deposited with the PLD technique exhibit higher CTE values, attributable to the high percentage of void in them. Through the substrate bending technique, phenomena such as plastic creep, densification and formation of "hillocks" were observed. These were further confirmed by scanning electron microscope (SEM) analysis. The microstructural instability found in these samples may be a limitation for practical use in certain applications.

Negli ultimi decenni, i film sottili hanno assunto un ruolo cruciale in un vasto spettro di applicazioni, dall’ambito energetico a quello edilizio e metallurgico. La loro versatilità e la capacità di migliorare le proprietà del substrato senza alterarne lo spessore li rendono strumentali in molteplici contesti. La caratterizzazione termo-meccanica dei film sottili è di particolare importanza quando vengono impiegati in ambienti estremamente aggressivi, come i noccioli dei reattori nu- cleari. Fenomeni come l’infragilimento dovuto all’irraggiamento o la corrosione provocata dal contatto con metalli liquidi possono rendere impraticabile l’uso di materiali conven- zionali nelle componenti dei reattori. Una soluzione possibile è l’utilizzo di film sottili come rivestimento per migliorare la loro durabilità. L’obiettivo è comprendere quali materiali siano più resilienti a queste condizioni e, con- temporaneamente, analizzare le trasformazioni subite da film e substrato. Ci si interessa alla risposta agli sforzi, alle variazioni nella microstruttura e all’adesione. Sforzi termici causati dalla diversa espansione termica di film e substrato, così come la cristallizzazione derivante da eventi estremi o dall’uso prolungato, possono portare al fallimento dei film, renderli inutilizzabili o, al contrario, migliorare le loro caratteristiche. Per affrontare questa sfida, abbiamo scelto di utilizzare la spettroscopia Brillouin, che si basa sull’analisi delle onde acustiche dei film per determinarne le proprietà elastiche. Inoltre, abbiamo impiegato la tecnica di curvatura del substrato, che consente di valutare gli sforzi nel film e il suo coefficiente di espansione termica. L’adozione di tali tecniche diventa necessaria poiché le metodologie tradizionali per la caratterizzazione dei materiali di bulk non possono essere applicate. I valori dei coefficienti di espansione termica e di rigidezza dei film spesso differiscono da quelli del materiale di massa, sia a causa della presenza di un substrato che modifica notevolmente le caratteristiche del materiale d’interesse, sia a causa delle ridotte dimensioni dei grani cristallini. Sono stati esaminati campioni di tungsteno (W), alluminio (Al) e nitruro di tungsteno, sia in forma cristallina che nanocristallina o amorfa, con un particolare interesse per la loro idoneità nei reattori a fusione o reattori a fissione di quarta generazione, oggetto di attuali studi. iii È emerso un trend di aumento della rigidezza dei film all’aumentare della cristallinità dei campioni, in accordo con quanto riportato nella letteratura scientifica. Per valutare il coefficiente di espansione termica (CTE), i campioni sono stati riscaldati e la curvatura è stata misurata attraverso la deviazione di fasci laser. I valori di CTE per i film nanocristallini depositati con la tecnica HiPIMS risultano simili a quelli del materiale di massa, grazie alla loro estrema compattezza e agli elevati sforzi residui che tendono a minimizzare la distanza media interatomica. Al contrario, i film amorfi depositati con la tecnica PLD presentano valori più elevati di CTE, attribuibili all’alta percentuale di vuoto in essi presente. Attraverso la tecnica di curvatura del substrato, si sono osservati fenomeni come lo scorrimento plastico, la densificazione e la formazione di "hillocks". Questi sono stati ulteriormente confermati dall’analisi al microscopio elettronico a scan- sione (SEM). L’instabilità microstrutturale riscontrata in questi campioni può costituire un limite all’utilizzo pratico in determinate applicazioni.