硫化钨基薄膜结构、力学性能及在空气中的摩擦学特性研究

摘要

本文为提高MEMS器件的摩擦学性能，通过磁控溅射系统在单晶Si(100)基片上沉积了WS(C)薄膜、WSN薄膜和WSCN薄膜。薄膜的晶相结构、组成成分和化学键结构分别采用X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)进行分析，薄膜的表面和截面形貌采用扫描电镜(SEM)进行观察。薄膜的硬度和结合力分别采用金刚石纳米压痕仪和声发射划痕仪进行测试。薄膜与Si3N4球在空气中对摩的摩擦学性能通过球对盘式摩擦磨损试验机进行分析，摩擦实验结束后，薄膜和球的磨痕采用金相光学显微镜、非接触式三维光学形貌仪及扫描电镜和能谱仪进行分析。研究结果表明： 1)利用磁控溅射技术，通过改变WS2靶材溅射功率（100-300W）制备了不同组分的WS(C)薄膜，薄膜代号为WSC-X（X代表WS2靶材的溅射功率）。不同组分的WSC薄膜硬度在1.99GPa到4.43GPa之间，S/W原子比为0.63的WSC-250薄膜因具有最高的硬度，摩擦系数最低，为0.4；选取WSC-250薄膜的制备参数，通过改变偏压制备了不同偏压的WSC薄膜，薄膜均为非晶结构，在偏压为-210V下制备的WSC薄膜具有较好的机械性能，摩擦系数和磨损率均最低，分别为0.35和4.69×10-5mm3/(N·m)。 2)采用磁控溅射设备，通过改变N2流量（5-25sccm）制备了不同组分的WSN薄膜，薄膜代号为WSN-Y（Y代表N2流量）。掺杂的N元素主要以非晶WN相存在。由于N含量为10.35at.%的WSN-25薄膜具有最高的硬度和结合力，故具有最低的摩擦系数和磨损率，分别为0.55和2.7×10-4mm3/(N·m)；选取WSN-25薄膜的制备参数，通过改变偏压制备了不同偏压的WSN薄膜，随着偏压的增大，薄膜结晶度下降，摩擦系数和磨损率先减小后增大，偏压为-160V时制备的WSN薄膜具有最低的摩擦系数和磨损率，分别为0.09和5.18×10-5mm3/(N·m)。 3)在N2和C2H2气氛中，通过改变N2流量（15-35sccm）制备了不同组分的WSCN薄膜，薄膜代号为WSCN-Z（Z代表N2流量）。掺杂的C元素以非晶WC相和sp2C-C相存在，而掺杂的N元素主要以WN相存在。随着N2流量的增大，薄膜的硬度先减小后增大。N含量为11.1at.%的WSCN-30薄膜因与基材的结合力强而具有最低的磨损率，为1.28×10-5mm3/(N·m)。选取WSCN-30薄膜的制备参数，通过改变偏压制备了不同偏压的WSCN薄膜，随着偏压的增大，薄膜与基材的结合力先减小后增大，偏压为-260V时制备的WSCN薄膜表现出较优异的力学性能和摩擦学性能。

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