Aluminum (Al) is one of the most widely used structural material in various technologically relevant applications due to its light weight and formability. However, these advantages have been overshadowed by its relatively poor mechanical properties. In this paper, we report exceptional mechanical properties of aluminum-carbon (Al-C) thin films deposited by multiple source co-sputtering. In the first set of experiments, a high-throughput combinatorial approach was taken to investigate mechanical, electrical properties of a blanket of Al-C thin film deposited with a compositional gradient. Hardness increased along with carbon addition, but at the cost of reduced electrical conductivity. These measurements allowed rapid screening of the Al-C film and showed that regions with ~6at% carbon possess a good balance of mechanical and electrical properties (2.8 GPa and $142 \Omega \cdot nm$). Micro-tensile experiments of freestanding Al, Al-C 6.4at%, and Al-C 10.3at% films were conducted to acquire tensile mechanical properties and understand the strengthening mechanism. Al-C films with 6.4at% and 10.3at% carbon both exhibited significantly increased yield stress over 300 MPa while retaining ductility. Unexpectedly, an upper yield followed by fall in stress was observed, which resembles the mechanical behavior of low-carbon steel. The unusual mechanical behavior of Al-C is attributed to formation of the Cottrell atmosphere. We also demonstrate that C impurities suppress stress-induced grain growth, which leads to improved microstructural stability during deformation. The annealing and passivation effects are analyzed to acquire the deep understanding on the Al-C thin films. This paper demonstrates that carbon addition by co-sputter deposition is a viable approach for improving the mechanical properties of Al thin films without loss of its lightweight characteristic.
알루미늄은 가벼운 무게 및 우수한 성형성으로 인하여 구조 재료로 가장 널리 사용되는 금속 중 하나로 각광받아 왔다. 그러나, 순수 알루미늄의 경우 이러한 이점들에 비해 상대적으로 열악한 기계적 특성에 의해 사용상의 한계가 지적되어 왔다. 본 논문에서는 다중 소스 공동 스퍼터링으로 증착된 알루미늄-탄소 (Al-C) 박막의 탁월한 기계적 특성을 보고한다. 기초실험에서는 조성 구배를 갖는 Al-C 박막에 대한 기계적, 전기적 특성을 조사하기 위해 고효율 조합 박막 방식이 적용되었다. 탄소 함량이 증가함에 따라 경도가 증가했지만, 전기 전도도의 감소가 관찰되었다. 이 측정 방법을 통해 Al-C 필름을 빠르게 스크리닝 할 수 있었으며, 탄소 함량이 약 6at% 일 때 기계적 및 전기적 특성의 좋은 균형을 보유하고 있음을 보여준다 (2.8 GPa 및 $142 \Omega \cdot nm$). 프리스탠딩 알루미늄, Al-C 6.4at%, 그리고 Al-C 10.3at% 필름의 미세 인장 실험을 실시하여 인장 기계적 특성을 측정하고 강화 메커니즘을 이해하였다. 6.4at%와 10.3at%의 탄소를 포함하는 Al-C 박막은 인성을 유지하면서 300 MPa 이상의 항복 강도 증가를 보여준다. 또한, Al-C 박막은 저탄소강과 유사한 기계적 물성인 yield drop현상이 관찰되었다. 이러한 Al-C 박막의 독특한 기계적 거동은 ‘Cottrell atmosphere’의 형성으로 설명되며, C 합금 원자가 응력 유발 결정립 성장을 억제하여 미세조직 안정성 향상을 보여준다. 또한, Al-C 박막에 대한 열처리 및 패시베이션 효과를 분석하여 종합적인 이해를 얻을 수 있었다. 이 논문은 공동 스퍼터링에 의한 탄소 첨가가 Al 박막의 기계적 특성을 개선시키는 데 경량 특성의 상실 없이 가능한 유용한 방법임을 보여준다.
