AlN/Si3N4纳米多层膜的外延生长与力学性能

摘要

采用射频磁控溅射方法制备单层AlN,Si3N4薄膜和不同调制周期的AlN/Si3N4纳米多层膜.采用X射线衍射仪、高分辨透射电子显微镜和纳米压痕仪对薄膜进行表征.结果发现,多层膜中Si3N4层的晶体结构和多层膜的硬度依赖于Si3N4层的厚度.当AlN层厚度为4.0nm、Si3N4层厚度为0.4nm时,AlN和Si3N4层共格外延生长,多层膜形成穿过若干个调制周期的柱状晶结构,产生硬度升高的超硬效应.随着Si3N4层厚的增加,Si3N4层逐步形成非晶并阻断了多层膜的共格外延生长,多层膜的硬度迅速降低,超硬效应消失.采用材料热力学和弹性力学计算了Si3N4层由晶态向非晶转变的临界厚度.探讨了AlN/Si3N4纳米多层膜出现超硬效应的机理.