磁控溅射技术设计合成ZrAlN/ZrB和W/ZrB纳米多层膜的研究

摘要

本文利用超高真空磁控溅射技术在Si(100)基底上设计合成ZrAIN/ZrB2和W/ZrB2纳米多层膜。通过X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等分析手段研究了薄膜的结构特征；利用表面轮廓仪( XP-2)和纳米力学测试系统研究薄膜的硬度、弹性模量以及薄膜与基底的附着力等机械性能。揭示多层膜体系的结构和性能以及工艺参数之间的相互关系，找出合成最佳多层膜的工艺，使多层膜体系的硬度、残余应力以及膜基结合力等都明显优于单质薄膜材料。 在制备单质薄膜的基础上，利用直流ZrAI和射频ZrB2靶在Si(100)基底上制备ZrAIN/ZrB2纳米多层膜。讨论了调制周期、调制比例和N2/Ar比等实验条件对薄膜结构和性能的影响。SEM和低角XRD证明了薄膜调制结构，同时显示多层膜界面清晰。当调制周期为40 nm，ZrAIN和ZrB2调制比例为1/3，工作气压为0.3/0.4Pa，N2/Ar比为1/3时，薄膜硬度达到最大值36.4 GPa，同时多层膜残余应力，摩擦性能以及膜基结合力也都明显优于单质薄膜。多层膜各项机械性能达到最佳的同时，高角XRD表明多层膜表现出了明锐的ZrAIN(111)，AIN(111)，ZrB2(001)和ZrB2(101)结晶取向，结晶多元化可能是薄膜硬度升高的原因之一。 选取W和ZrB2作为个体层材料，利用射频磁控溅射技术在室温下制备一系列W/ZrB2纳米多层膜，研究了多层膜调制周期、调制比和工作气压等实验参数与多层膜结构和机械性能的关系。低角XRD和SEM表明薄膜具有界面清晰的多层结构。实验表明几乎所有多层膜的硬度和弹性模量都高于单质薄膜，同时多层膜的残余应力也有所改善。当调制周期为30 nm，ZrAIN和ZrB2的调制比例为1/3，工作气压为0.6 Pa时，多层膜出现W(111)和ZrB2(001)择优取向，硬度和弹性模量分别升高到最大值41.5 GPa和539.9 GPa。 对于ZrAIN/ZrB2和W/ZrB2体系纳米多层膜，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、良好的膜基结合力和低残余应力的ZrAIN/ZrB2、W/ZrB2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ZrAIN/ZrB2和W/ZrB2两个异结构体系纳米多层膜的硬度升高做出一定分析。目前，纳米多层膜的研究目前还处于发展阶段，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

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2薄膜技术的发展与现状

1.2.1薄膜技术的发展历程

1.2.2薄膜的形成过程与制备技术

1.3纳米多层膜

1.3.1纳米多层膜的研究背景

1.3.2纳米多层膜的构成与性能特点

1.3.3纳米多层膜硬度增强机制的理论研究

1.4本文的研究内容

1.4.1本研究的选题背景

1.4.2本文研究的薄膜材料

1.4.3本研究的主要内容

1.4.4本研究的目的与意义

第二章样品制备与性能表征

2.1样品制备基本原理

2.1.1溅射现象与机理

2.1.2溅射镀膜的特征

2.1.3溅射镀膜的基本类型

2.2多层膜样品的制备过程

2.2.1实验装置与实验材料

2.2.2样品预处理

2.2.3纳米多层膜制备过程

2.3纳米多层膜的结构表征

2.3.1 X射线衍射(XRD)分析

2.3.2扫描电子显微镜(SEM)分析

2.4纳米多层膜的机械性能表征

2.4.1厚度与残余应力测试

2.4.2纳米硬度与弹性模量测试

2.4.3薄膜与基底结合力测试

2.4.4薄膜摩擦性能测试

第三章ZrAIN/ZrB2纳米多层膜的结构与性能研究

3.1 ZrAIN/ZrB2纳米多层膜实验参数的选取

3.1.1多层膜的实验参数

3.1.2 ZrAIN/ZrB2纳米多层膜的实验参数选取

3.2 ZrAIN/ZrB2纳米多层膜层状结构表征

3.2.1多层膜低角X射线衍射(LA-XRD)分析

3.2.2多层膜横断面扫描电子显微镜(SEM)分析

3.3实验参数对ZrAIN/ZrB2纳米多层膜晶体结构和性能的影响

3.3.1调制周期对ZrAIN/ZrB2纳米多层膜结构和机械性能的影响

3.3.2调制比对ZrAIN/ZrB2纳米多层膜结构和机械性能的影响

3.3.3 Ar/N2的比例对ZrAIN/ZrB2纳米多层膜结构和机械性能的影响

3.3.4偏压对ZrAIN/ZrB2纳米多层膜结构和机械性能的影响

3.4 ZrAIN/ZrB2纳米多层膜制硬机理分析

3.5本章小结

第四章W/ZrB2纳米多层膜的结构与性能研究

4.1 W/ZrB2纳米多层膜实验参数的选取

4.2 W/ZrB2纳米多层膜层状结构表征

4.2.1多层膜低角X射线衍射(LA-XRD)分析

4.2.2多层膜横断面扫描电子显微镜(SEM)分析

4.3实验参数对W/ZrB2纳米多层膜晶体结构和性能的影响

4.3.1调制周期对W/ZrB2纳米多层膜结构和机械性能的影响

4.3.2调制比对W/ZrB2纳米多层膜结构和机械性能的影响

4.3.3工作气压对W/ZrB2纳米多层膜结构和机械性能的影响

4.4 W/ZrB2纳米多层膜制硬机理分析

4.5本章小结

第五章问题与思考

参考文献

硕士在读期间发表的论文

硕士在读期间获得的奖励

致谢