Tailoring mechanical behavior of metallic thin films through nanoengineering design strategies : investigation of metallic glass and high entropy alloys films

Metallic thin films have become object of intense research in recent years due to the activation of mechanical size effects, improving strength, plasticity and affecting the deformation behavior. However, the study of the connection between the local structure and the mechanical properties is not fully understood yet, while the research for new nanostructures capable to further improve and tailor their mechanical properties is still an open subject. In this PhD project, we exploit the potential of Pulsed Laser Deposition (PLD) to synthetize novel thin film metallic glasses (TFMGs) and high entropy alloys (TFHEAs) with unique and tailored composition-microstructures among which cluster-assembled films and nanolaminates, while tuning local chemistry (especially with O incorporation) to improve strength-plasticity balance as probed with in situ SEM techniques. Among the main results the control of the local- and microstructure in TFMGs allows the delay and suppression of shear band instabilities together with an improvement of yield strength (> 3 GPa) plasticity (15% deformation). For the case of TFHEAs, the fine control of grain size leads to large hardness (up to 11 GPa, Hall-Petch strengthening) and improved crack resistance on tensile tests on polymeric substrates (3.44%) way above the sputtered deposited counterparts (8.3 GPa and 2%). Overall, within this thesis we open the way to the use of PLD as a new technique to synthetize metallic films with unique nanostructure and composition leading to large and tailored mechanical properties with potential for various applications as high-performance structural coatings.

I film sottili metallici sono diventati oggetto di intensa ricerca negli ultimi anni a causa dell'attivazione di effetti di confinamento geometrico, che migliorano la resistenza, la plasticità e influenzano il comportamento di deformazione. Tuttavia, lo studio della connessione tra la struttura locale e le proprietà meccaniche non è ancora del tutto compresa, mentre la ricerca di nuove nanostrutture in grado di migliorare ulteriormente le loro proprietà meccaniche è ancora un argomento di ricerca aperto. In questo progetto di dottorato, sfruttiamo il potenziale della deposizione laser pulsata (PLD) per sintetizzare nuovi film sottili di vetri metallici (TFMG) e leghe ad alta entropia (TFHEA) con microstrutture e composizioni controllate su misura, tra cui film nanolaminati e assemblati in cluster, mentre si controlla la chimica locale (con l'incorporazione di O) per migliorare l'equilibrio resistenza-plasticità sondato con tecniche in situ SEM. Tra i principali risultati il controllo della microstruttura locale e della microstruttura nei TFMG consente il ritardo e la soppressione delle instabilità della banda di taglio insieme ad un miglioramento della plasticità del carico di snervamento (> 3 GPa) (deformazione del 15%). Nel caso dei TFHEA, il controllo accurato della dimensione del grano porta a un'elevata durezza (fino a 11 GPa, rinforzo Hall-Petch) e a una migliore resistenza alle fessurazioni nei test di trazione su substrati polimerici (3.44%) molto al di sopra delle controparti depositate mediante magnetron sputtering (8.3 GPa e 2%). Nel complesso, all'interno di questa tesi apriamo la strada all'uso del PLD come una nuova tecnica per sintetizzare film metallici con nanostruttura e composizione uniche che portano a proprietà meccaniche ampie e su misura con potenziale per varie applicazioni come rivestimenti strutturali ad alte prestazioni.