磁控溅射技术设计合成TiB2/Al2O3和TiB2/AlN纳米多层膜的研究

摘要

本文通过磁控溅射技术在硅基底、蓝宝石基底、不锈钢基底上分别制备了TiB2/Al2O3、TiB2/AlN纳米多层膜。通过对样品的小角度XRD测试，辅以扫描隧道显微镜(SEM)表征了样品的多层膜结构;用大角度XRD衍射来分析多层膜的晶体结构;用纳米压痕仪和表面轮廓仪测试了多层膜的硬度、弹性模量及临界载荷等机械性能。讨论了多层膜的调制周期、调制比、工作气压及基底偏压对多层膜的结构和机械性能的影响。
　　调制周期与调制比的不同，会对多层膜的硬度与弹性模量产生很大影响。多层膜硬度与弹性模量随调制周期、调制比的增大，均呈现先增加后减少趋势，当调制周期为11nm，调制比为tTiB2∶tAl2O3=7∶1，工作气压为0.6 Pa，基底偏压为-60 V时，多层膜机械性能达到最佳:硬度为29.4 GPa、弹性模量为457.1 GPa，同时薄膜的残余应力与摩擦系数均优于单层膜。
　　TiB2/AlN多层膜中不同物质的层厚度会对薄膜的机械性能产生很大影响，分别通过改变AlN和TiB2层厚度，找到最佳层厚度配比。当TiB2层厚度为7nm，AlN层厚度为3.2 nm，工作气压为0.6 Pa，基底偏压为-60 V时，多层膜硬度达到最大值为38.9 GPa、弹性模量也达最大为540.8 GPa。
　　对于TiB2/Al2O3和TiB2/AlN纳米多层膜，以前的文献鲜有报道。本文在得到多层膜最佳工艺参数，合成具有高硬度、高弹性模量、良好的膜基结合力、较低摩擦系数和较低残余应力的TiB2/Al2O3、TiB2/AlN纳米多层膜的同时，通过讨论工艺参数、界面结构、晶体结构与机械性能的关系，对TiB2/Al2O3和TiB2/AlN两个异结构体系纳米多层膜的硬度升高做了一定分析。目前，纳米多层膜的研究还处于发展阶段，本研究有望应用于保护涂层材料，对提高多层膜体系的硬度，改善材料表面性能，开发新的超硬材料，扩大纳米多层膜的工业应用范围具有一定的意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 硬质薄膜

1．2．1 传统硬质薄膜

1．2．2 新型硬质薄膜

1．3 硬质膜评价指标

1．3．1 成分与结构

1．3．2 内应力

1．3．3 硬度与弹性模量

1．3．4 韧性与膜基结合力

1．3．5 摩擦学性能

1．4 本论文研究意义与目标

1．4．1 研究意义

1．4．2 本论文研究内容与目标

第二章 纳米多层膜的制备及表征

2．1 样品的制备

2．1．1 实验装置

2．1．2 制备流程

2．2 薄膜的表征

2．2．1 薄膜厚度与残余应力的测试

2．2．2 薄膜的硬度与弹性模量的测试

2．2．3 薄膜的结构表征(XRD与SEM)

3．2 TiB2／Al2O3纳米多层膜的结构

3．2．1 XRR分析

3．2．2 SEM分析

3．3 实验参数对TiB2／Al2O3纳米多层膜的影响

3．3．1 调制比对TiB2／Al2O3纳米多层膜的影响

3．3．3 工作气压对TiB2／Al2O3纳米多层膜性能的影响

3．3．4 偏压对TiB2／Al2O3纳米多层膜性能的影响

第四章 TiB2／AlN纳米多层膜的结构和性能

4．1 TiB2／AlN纳米多层膜的制备

4．2 TiB2／AlN纳米多层膜的结构

4．2．1 XRR分析

4．2．2 SEM分析

4．3 实验参数对TiB2／AlN纳米多层膜的影响

4．3．1 A1N层厚度对TiB2／AlN多层膜的影响

4．3．2 TiB2层厚度对TiB2／AlN多层膜的影响

第五章 总结与展望

5．1 本文总结

5．2 问题与展望

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢