磁场的非平衡度和闭合状态对沉积CrN_x镀层的影响

摘要

本文采用磁控溅射技术,在改变磁场非平衡度和闭合状态的条件下在高速钢和单晶硅基体上制备了CrNx镀层。采用SEM和XRD对镀层的微观结构进行了分析；使用显微硬度计测量了镀层的硬度；通过销-盘式摩擦磨损试验机及光学显微镜研究了镀层的摩擦磨损性能；探讨了磁场非平衡度和闭合状态的变化对镀层结构、性能的影响机理。研究结果表明：随非平衡度的增大,CrNx镀层的相结构发生从Cr+Cr2N→Cr+Cr2N+CrN→Cr2N+CrN的转化；在三种闭合状态下,制得的CrNx镀层的物相结构相似且类似于组成闭合状态的单靶制得镀层的物相组成。在磁场非平衡度增大及闭合状态由不闭合→半闭合→完全闭合的变化的过程中,CrNx镀层的组织颗粒都变大,颗粒间的孔洞减少,组织致密化。CrNx镀层的厚度和硬度都随非平衡度的增大而增加,摩擦系数随非平衡度的增大而减小。完全闭合状态下CrNx镀层的沉积速率最快,镀层轴向均匀性也最好。在三种闭合状态下,CrNx镀层的摩擦系数相差不大且都很小。磁场非平衡度和闭合状态的改变对镀层结构和性能的影响,在本质上都是通过改变电子的运动轨迹来实现的。磁场非平衡度增大及闭合状态由不闭合→半闭合→完全闭合的变化都会使磁场对电子的束缚能力增强,增大Ar和N2离化率,扩展等离子体的分布范围。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 引言

1.2 磁控溅射技术

1.2.1 磁控溅射技术的原理

1.2.2 磁控溅射技术的发展概述

1.2.3 磁控溅射离子镀

1.2.4 闭合场非平衡磁控溅射离子镀

1.2.5 磁控溅射技术的应用

1.2.6 磁控溅射沉积薄膜结构分析

1.3 磁控溅射系统磁场与等离子体

1.3.1 磁控溅射系统中磁场的分布

1.3.2 等离子体概述

1.4 氮化铬镀层的性能和研究现状

1.4.1 氮化铬镀层的性能

1.4.2 氮化铬镀层的研究现状

1.5 本文的研究意义和目的

1.6 本文的研究内容及技术路线图

2 试样制备和实验方法

2.1 试样基材及处理

2.2 镀膜设备

2.3 CrN_x镀层的制备

2.3.1 非平衡磁场的实现

2.3.2 非平衡度实验时试样的放置

2.3.3 改变非平衡度时镀膜的工艺

2.3.4 磁场闭合状态的实现

2.3.5 不同闭合状态试样的放置

2.3.6 不同闭合状态的镀膜工艺

2.4 镀层结构和性能的分析与检测

2.4.1 镀层组成结构的分析

2.4.2 镀层厚度检测

2.4.3 镀层的摩擦学性能

2.4.4 镀层硬度的检测

3 磁场的非平衡度对沉积CrN_x镀层的影响

3.1 非平衡度对CrN_x镀层物相结构的影响

3.2 非平衡度对CrN_x镀层组织形貌的影响

3.2.1 非平衡度对CrN_x镀层表面形貌的影响

3.2.2 非平衡度对CrN_x镀层断口形貌的影响

3.3 非平衡度对CrN_x镀层性能的影响

3.3.1 非平衡度对CrN_x镀层厚度的影响

3.3.2 非平衡度对CrN_x镀层硬度的影响

3.3.3 非平衡度对CrN_x镀层摩擦学特性的影响

3.4 小结

4 磁场的闭合状态对沉积CrN_x镀层的影响

4.1 闭合状态对CrN_x镀层物相结构的影响

4.2 闭合状态对CrN_x镀层形貌的影响

4.2.1 闭合状态对CrN_x镀层表面形貌的影响

4.2.2 闭合状态对CrN_x镀层断口形貌的影响

4.3 闭合状态对CrN_x镀层性能的影响

4.3.1 闭合状态对CrN_x镀层厚度的影响

4.3.2 闭合状态对CrN_x镀层硬度的影响

4.3.3 非平衡度对CrN_x镀层摩擦学特性的影响

4.4 小结

5 磁场非平衡度和闭合状态对沉积CrN_x镀层影响的机理分析

5.1 带电离子在电磁场中的运动

5.2 磁场的非平衡度的改变对电子运动的影响

5.3 磁场的闭合状态对电子运动的影响

5.4 磁场非平衡度和闭合状态对沉积CrN_x镀层影响的比较与综合

5.5 小结

6 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文