離子束輔助沉積ZrB-,2--AlN和ZrB-,2--WN-,x-納米多層膜的研究.pdf

1、本文利用超高真空離子束輔助沉積技術(shù)在Si(100)基底上設(shè)計合成ZrB2/AIN和ZrB2/W及ZrB2/WNx納米多層膜。利用表面輪廓儀和納米力學(xué)測試系統(tǒng)研究薄膜的機(jī)械性能，包括表面硬度、彈性模量以及薄膜與基底的附著力；還通過X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)等分析手段研究了薄膜的結(jié)構(gòu)特征。揭示多層膜體系的結(jié)構(gòu)和性能以及工藝參數(shù)之間的相互關(guān)系，找出合成最佳多層膜的工藝，使多層膜體系的硬度和附著力優(yōu)于單質(zhì)薄膜材料。合成具有高

2、硬度、高模量和低應(yīng)力的納米多層膜，希望成為應(yīng)用于刀具的涂層材料，提高刀具的切削速率，延長刀具的使用壽命。 利用ZrB2和AIN靶在Si(100)基底上制備ZrB2/AIN納米多層膜。討論了調(diào)制周期、調(diào)制比例和離子轟擊能量等實(shí)驗(yàn)條件對薄膜結(jié)構(gòu)與性能的影響。SEM和低角X射線衍射證明了多層結(jié)構(gòu)。高角XRD表明單層膜ZrB2和AIN具有典型的六方結(jié)構(gòu)，一些多層膜表現(xiàn)出了明銳的ZrB2(001)、(100)和AIN(100)結(jié)晶取向，以

3、及微弱的ZrB2(101)和AIN(101)取向，另由于在濺射過程中B-離子和2r2+離子重新組合，ZrB2和ZrB2/AIN的X射線衍射圖顯示出有較弱的Zr(110)峰，XRD也表明不同的轟擊能量能引誘不同的結(jié)晶狀態(tài)。多層膜的納米壓痕硬度與彈性模量值大多都高于兩種個體材料硬度的平均值。當(dāng)調(diào)制周期為7.6nm，ZrB2和AIN的調(diào)制比例為3:2，離子轟擊能量為300eV，氮離子束流為5mA時薄膜具有最高的硬度(>31GPa)和臨界載荷(

4、57mN)。 用離子束輔助沉積系統(tǒng)制備了幾個系列的ZrB2/W和ZrB2/WNx納米多層膜，分析了調(diào)制周期、調(diào)制比例、離子轟擊能量和基底溫度等實(shí)驗(yàn)條件對薄膜結(jié)構(gòu)與性能的影響。SEM和低角X射線衍射表明薄膜具有界面清晰的多層結(jié)構(gòu)。高角XRD表明W的單層膜為立方結(jié)構(gòu)，WNx單層具有六方和立方混合相結(jié)構(gòu)，ZrB2薄膜顯示出了典型的六方結(jié)構(gòu)，多層膜出現(xiàn)混合晶向和非晶兩種狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)調(diào)制周期為9.6nm，ZrB2和WNx的調(diào)制比例為3

5、:1，離子轟擊能量為200eV，硬度和彈性模量分別超過30GPa和406GPa；特別在基底溫度是430℃，離子轟擊能量為200eV，ZrB2/WNx納米多層膜硬度達(dá)到36.6GPa，并且彈性模量和殘余應(yīng)力及膜基結(jié)合力也獲得很好的效果。 以上結(jié)果表明，用超高真空離子束輔助沉積技術(shù)制備ZrB2/AIN和ZrB2/W及ZrB2/WNx納米多層薄膜，在一定優(yōu)選的工藝條件下，可以生成硬度高、附著力好、應(yīng)力低的薄膜，可望成為應(yīng)用于刀具的涂層