磁控溅射技术设计合成Nb-B-Al-O纳米复合膜和NbB2/NbN多层膜的研究

摘要

本文利用磁控溅射镀膜技术在Si基底上设计制备了Nb-B-Al-O纳米复合薄膜和NbB2/NbN纳米多层薄膜。通过改变实验参数探究了NbB2在和Al2O3结合制备出具有较高机械性能和抗氧化耐高温的Nb-B-Al-O纳米复合薄膜，并在此基础上进一步研究制备超硬薄膜，选取硬度较高的NbN和NbB2结合制备出超硬的NbB2/NbN纳米多层薄膜，并通过第一性原理的计算进一步解释了NbB2在多层膜中的致硬机理。
　　使用NbB2和Al2O3靶通过多靶共溅的方法在Si基底上制备Nb-B-Al-O纳米复合薄膜。研究了不同制备条件下基底偏压和Al2O3功率对薄膜结构和性能的影响。在-160V偏压下具有最好的力学性能，此时的XRD显示出NbB2和Al2O3共同结晶且衍射峰最强，此时的薄膜具有最高的硬度和弹性模量，分别为23.4GPa和274.5GPa，应力值为0.29GPa，-160V的临界载荷高达31mN。通过调节Al2O3的功率可以控制Al2O3在Nb-B-Al-O纳米复合膜中的含量，高功率对应的Al2O3含量较低，且随着功率的增加，NbB2晶粒尺寸逐渐变大，Al2O3结构由无定型变为相邻NbB2晶粒间的弱结晶相，结构的变化导致了性能的提升。
　　考虑到NbB2的高硬度，我们选择同样高硬度的NbN通过多靶磁控立式溅射系统制备NbB2/NbN纳米多层膜以获得较高的力学性能。在改变调制比的情况下，当NbN∶NbB2=1∶4时，NbB2结晶出现最强的(001)表面，对应薄膜的机械性能最高点，对应硬度和模量分别为36.86GPa和412.31GPa，残余应力值为1.818GPa，临界载荷为80.89mN。继续增加NbB2比例到1∶5，多层膜中的NbB2呈现块体NbB2的结构类型。随着NbB2/NbN纳米多层膜中NbN比例的增加，NbN结构中的(111)(200)晶面收到表面能和界面能的共同影响，在NbN∶NbB2在调制比为3∶1时达到较好的结晶性。
　　多层膜XRD结果显示NbB2(001)表面和NbB2块体相比，起到了很好的致硬效果，通过第一性原理计算NbB2(001)面和块体NbB2中最强衍射峰(101)面的五种结构下的稳定性，分别研究了它们的表面弛豫、表面能和态密度。结果表明，NbB2(001)面总体比NbB2(101)面稳定性更高，其中NbB2(001)-B是几种结构中最稳定的面。
　　以上结果表明，本文利用磁控溅射技术在Si基底上设计合成的Nb-B-Al-O纳米复合膜和NbB2/NbN纳米多层膜，在一定优选的工艺条件下，可以得到较好的机械和抗高温、抗氧化性能，并通过对NbB2表面结构的分析，进一步解释了致硬现象，对纳米薄膜的研究和发展都有一定的理论意义和指导作用。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 纳米硬质薄膜的研究背景和应用前景

1．2 纳米复合薄膜的结构及类别

1．2．1 纳米复合薄膜的结构

1．2．2 纳米复合薄膜的类别

1．3 纳米多层薄膜的结构及类别

1．3．1 纳米多层薄膜的结构

1．3．2 纳米多层薄膜的类别

1．4 材料的计算与设计

1．4．1 材料计算与设计的主要内容

1．4．2 材料计算与设计的发展趋势

1．5 本文的研究内容及意义

第二章 研究原理和测试方法

2．1 磁控溅射系统

2．1．1 多靶磁控共溅系统

2．1．2 多靶磁控平行溅射系统

2．2 薄膜的结构测试

2．3 X射线光电子能谱

2．4 薄膜的力学性能测试方法

2．4．1 薄膜的厚度、残余应力测试

2．4．2 薄膜的硬度测试

2．4．3 薄膜与基底的结合力测试

2．5 材料计算的主要方法

第三章 Nb-B-Al-O纳米复合膜的结构与性能

3．1 Nb-B-Al-O纳米复合膜的制备

3．2 实验参数对Nb-B-Al-O纳米复合膜结构及性能的影响

3．2．1 偏压对Nb-B-Al-O纳米复合膜结构及性能的影响

3．2．2 Al2O3功率对Nb-B-Al-O纳米复合膜结构及性能的影响

3．3 本章小结

第四章 NbB2／NbN纳米多层膜的结构与力学性能

4．1 NbB2／NbN纳米多层膜的制备

4．2 NbB2／NbN纳米多层膜的层状表征

4．2．1 SEM分析

4．2．2 XRR分析

4．2．3 TEM分析

4．3 实验参数对NbB2／NbN纳米多层膜结构及性能的影响

4．3．1 NbB2／NbN纳米多层膜的结构表征

4．3．2 实验参数对NbB2／NbN纳米多层膜力学性能的影响

4．4 本章小节

第五章 NbB2表面结构稳定性的计算

5．1 计算方法和模型

5．2 结果与讨论

5．2．1 表面弛豫

5．2．2 表面能

5．2．3 电子结构

5．3 本章小节

第六章 全文总结

参考文献

硕士在读期间发表的论文

硕士在读期间获奖情况

硕士在读期间参加的会议

致谢