射频磁控溅射制备TiB2超硬薄膜及其显微结构和性能的研究

摘要

目前，将TiB2纳米晶薄膜用作耐磨涂层在材料学界越来越引起重视。低压磁控溅射设备具有通过控制离子轰击达到提高薄膜质量的优势，因而成为主要的薄膜合成技术之一。离子轰击过程是一个强烈的非平衡过程，当薄膜在生长过程中受到离子轰击时，它获得轰击粒子传输来的能量，因而离子轰击能控制薄膜的生长。由于动能粒子的轰击作用能改善基片表面结构，影响薄膜的形核和生长过程，所以在磁控溅射技术中，使用动能粒子（包括离子和原子）变得越来越重要。
　　用磁控溅射技术在钢基片上沉积出具有T区结构的TiB2薄膜,研究基片偏压对薄膜的影响。采用场发射电子扫描显微镜（FESEM）、掠入射X射线衍射（GIXRD）、同步辐射、俄歇电子能谱（AES）分别研究了薄膜的截面形貌，晶体结构、择优取向、化学成分与薄膜的B/Ti比。同时，对薄膜的机械性能进行了测试。
　　结果表明，在本研究条件下，所有的薄膜均呈(001)晶面择优生长。当基片偏压在-50V时，薄膜的硬度为50GPa，抗塑性变形的能力（H3/E*2）为0.65GPa。加2大基片偏压，导致薄膜晶粒尺寸减小，同时薄膜的硬度和抗塑性变形的能力也下降。摩擦磨损实验表明TiB2薄膜的耐磨性较好，经过60min的滑动摩擦后，未出现剥落现象。
　　我们按照Thornton的薄膜结构区域模型来制定沉积工艺参数，其目的是确保制备出T区结构的薄膜。因此基片的同系温度范围都处在T区范围内（0.1＜Ts/Tm＜0.2）。薄膜横截面照片表明，薄膜的生长速度（在0.06~0.09 nm/sec之间）依赖于基片负偏压。但是基片温度明显地影响T区结构的薄膜成分与薄膜形貌。实验结果显示，在较低基片温度条件下，薄膜化学成分是过计量比。增加基片温度到350℃时，B和Ti原子在基片表面做强烈的扩散运动，薄膜的B/Ti比接近正常的TiB2计量比。在此温度条件下，一个新的称作“等轴晶”的薄膜形貌被观察到。结合电镜相片和俄歇能谱结果，我们认为这个“等轴晶”结构属于薄膜区域结构模型里面的2区结构，尽管它的同系温度等于0.18。
　　磁控溅射沉积出的TiB2薄膜的结构特征是，通常它的晶粒的(001)面会在平行于样品表面生长，因此它具有强烈的织构现象。解释这种择优取向晶粒的主要理论是van der Drift的“演变选择”模型。分析薄膜择优取向晶粒的方法通常是使用X射线掠入射衍射方式（GIXRD）。但是，GIXRD观察到的晶面衍射矢量并不在织构晶粒的生长方向上。我们理解到，织构晶粒的取向分布是围绕着样品表面法线的轴向对称旋转状态，所以织构晶粒的晶体取向在平行于样品表面的生长上可以被看成是随机分布的。同时，van der Drift的“演变选择”模型是源于织构薄膜的典型特征（轴向旋转），然后用于检验薄膜的实际择优取向。实际的薄膜织构晶粒不仅存在于样品表面法线的轴向旋转方向上（典型特征），而且在偏离轴向旋转方向上也存在。因此，那些衍射矢量偏离轴向旋转方向的织构晶粒可以被GIXRD方式观察到。与此同时，由不同方向上的GIXRD得到的织构晶粒的衍射强度会发生变化，因为它们不再是随机分布的。为此，我们设计了三个不同方向的掠入射衍射测试，通过分析3个不同掠入射方向的XRD结果，并使用Knuyt的织构演变模型，详细地探讨并且解释了用GIXRD研究薄膜择优取向的问题。
　　我们使用同步辐射光源测试薄膜的out-of-plane(fiber) texture，分别在普通衍射模式和Grazing incidence in-plane X-ray diffraction(GIIXRD)方式下，研究薄膜的侧向结构信息，包括晶格常数、晶粒尺寸、in-plane方向的信息。同步辐射结果使我们可以着重讨论离子轰击对晶粒的择优取向的影响，结合Knuyt的模型，非常形象地描绘了TiB2薄膜择优取向晶粒的显微特征。

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1绪论

1.1引言

1.2超硬薄膜研究进展

1.3本文的研究目的与意义

2理论与技术介绍

2.1物理气相沉积工艺简介

2.2成核理论

2.3溅射原理及技术简介

2.4薄膜形貌

2.5分析方法与仪器设备介绍

3实验过程与测试方法

3.1磁控溅射装置

3.2溅射靶材的制备

3.3溅射沉积方案的制定

3.4基片的处理过程

3.5薄膜结构、形貌、成分

3.6薄膜机械性能

4 TiB2薄膜的结构与形貌特征

4.1 X射线衍射分析结果

4.2同步辐射

4.3 FESEM截面观察

4.4 AES分析研究

5 TiB2薄膜的机械性能

5.1薄膜的硬度和弹性模量

5.2薄膜的附着力

5.3薄膜的摩擦系数与耐磨性分析

6讨论

6.1 TiB2薄膜机械性能

6.2 TiB2薄膜的显微结构6.2.1基片偏压的影响

6.3 TiB2薄膜的择优取向6.3.1 XRD测试方式的影响

7全文总结

7.1本文的主要结论

7.2本文的创新点

致谢

参考文献

附录1 谢乐方程的推导

附录2 攻读博士学位期间发表的论文