射頻磁控濺射制備TiB2超硬薄膜及其顯微結(jié)構(gòu)和性能的研究.pdf

1、目前，將TiB2納米晶薄膜用作耐磨涂層在材料學(xué)界越來越引起重視。低壓磁控濺射設(shè)備具有通過控制離子轟擊達(dá)到提高薄膜質(zhì)量的優(yōu)勢，因而成為主要的薄膜合成技術(shù)之一。離子轟擊過程是一個強(qiáng)烈的非平衡過程，當(dāng)薄膜在生長過程中受到離子轟擊時，它獲得轟擊粒子傳輸來的能量，因而離子轟擊能控制薄膜的生長。由于動能粒子的轟擊作用能改善基片表面結(jié)構(gòu)，影響薄膜的形核和生長過程，所以在磁控濺射技術(shù)中，使用動能粒子（包括離子和原子）變得越來越重要。
　　用磁控濺

2、射技術(shù)在鋼基片上沉積出具有T區(qū)結(jié)構(gòu)的TiB2薄膜,研究基片偏壓對薄膜的影響。采用場發(fā)射電子掃描顯微鏡（FESEM）、掠入射X射線衍射（GIXRD）、同步輻射、俄歇電子能譜（AES）分別研究了薄膜的截面形貌，晶體結(jié)構(gòu)、擇優(yōu)取向、化學(xué)成分與薄膜的B/Ti比。同時，對薄膜的機(jī)械性能進(jìn)行了測試。
　　結(jié)果表明，在本研究條件下，所有的薄膜均呈(001)晶面擇優(yōu)生長。當(dāng)基片偏壓在-50V時，薄膜的硬度為50GPa，抗塑性變形的能力（H3/E*

3、2）為0.65GPa。加2大基片偏壓，導(dǎo)致薄膜晶粒尺寸減小，同時薄膜的硬度和抗塑性變形的能力也下降。摩擦磨損實驗表明TiB2薄膜的耐磨性較好，經(jīng)過60min的滑動摩擦后，未出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。
　　我們按照Thornton的薄膜結(jié)構(gòu)區(qū)域模型來制定沉積工藝參數(shù)，其目的是確保制備出T區(qū)結(jié)構(gòu)的薄膜。因此基片的同系溫度范圍都處在T區(qū)范圍內(nèi)（0.1＜Ts/Tm＜0.2）。薄膜橫截面照片表明，薄膜的生長速度（在0.06~0.09 nm/sec之間）

4、依賴于基片負(fù)偏壓。但是基片溫度明顯地影響T區(qū)結(jié)構(gòu)的薄膜成分與薄膜形貌。實驗結(jié)果顯示，在較低基片溫度條件下，薄膜化學(xué)成分是過計量比。增加基片溫度到350℃時，B和Ti原子在基片表面做強(qiáng)烈的擴(kuò)散運動，薄膜的B/Ti比接近正常的TiB2計量比。在此溫度條件下，一個新的稱作“等軸晶”的薄膜形貌被觀察到。結(jié)合電鏡相片和俄歇能譜結(jié)果，我們認(rèn)為這個“等軸晶”結(jié)構(gòu)屬于薄膜區(qū)域結(jié)構(gòu)模型里面的2區(qū)結(jié)構(gòu)，盡管它的同系溫度等于0.18。
　　磁控濺射沉積

5、出的TiB2薄膜的結(jié)構(gòu)特征是，通常它的晶粒的(001)面會在平行于樣品表面生長，因此它具有強(qiáng)烈的織構(gòu)現(xiàn)象。解釋這種擇優(yōu)取向晶粒的主要理論是van der Drift的“演變選擇”模型。分析薄膜擇優(yōu)取向晶粒的方法通常是使用X射線掠入射衍射方式（GIXRD）。但是，GIXRD觀察到的晶面衍射矢量并不在織構(gòu)晶粒的生長方向上。我們理解到，織構(gòu)晶粒的取向分布是圍繞著樣品表面法線的軸向?qū)ΨQ旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以織構(gòu)晶粒的晶體取向在平行于樣品表面的生長上可以

6、被看成是隨機(jī)分布的。同時，van der Drift的“演變選擇”模型是源于織構(gòu)薄膜的典型特征（軸向旋轉(zhuǎn)），然后用于檢驗薄膜的實際擇優(yōu)取向。實際的薄膜織構(gòu)晶粒不僅存在于樣品表面法線的軸向旋轉(zhuǎn)方向上（典型特征），而且在偏離軸向旋轉(zhuǎn)方向上也存在。因此，那些衍射矢量偏離軸向旋轉(zhuǎn)方向的織構(gòu)晶?？梢员籊IXRD方式觀察到。與此同時，由不同方向上的GIXRD得到的織構(gòu)晶粒的衍射強(qiáng)度會發(fā)生變化，因為它們不再是隨機(jī)分布的。為此，我們設(shè)計了三個不同方向的

7、掠入射衍射測試，通過分析3個不同掠入射方向的XRD結(jié)果，并使用Knuyt的織構(gòu)演變模型，詳細(xì)地探討并且解釋了用GIXRD研究薄膜擇優(yōu)取向的問題。
　　我們使用同步輻射光源測試薄膜的out-of-plane(fiber) texture，分別在普通衍射模式和Grazing incidence in-plane X-ray diffraction(GIIXRD)方式下，研究薄膜的側(cè)向結(jié)構(gòu)信息，包括晶格常數(shù)、晶粒尺寸、in-plane方