合成参数对ZrN/W和CrN/ZrN纳米多层膜的结构及其性能的影响

摘要

纳米级的材料微观设计与制造技术是开发研制新材料的有效途径。本文分别使用离子束辅助沉积和非平衡直流磁控双靶交替反应溅射方法在Si(100)表面沉积了ZrN／W和CrN／ZrN纳米多层膜，并寻求材料力学性能的增加和材料耐磨性能的提高。在此目标之下，本文系统研究了纳米多层膜中的微观结构与硬度、弹性模量、内应力等力学性能，摩擦系数、磨损率等摩擦磨损性能，以及与调制周期、轰击能量等诸多因素之间的关系。 离子束辅助沉积ZrN／W多层膜部分： XRD分析结果表明：固定辅助能量为100 eV，随着调制周期的增加，有微弱的ZrN(220)峰出现，ZrN(111)和W(110)峰均出现增强趋势。固定调制周期，随着离子辅助能量的增大，ZrN(111)的衍射峰变得更尖锐。 AES的分析结果表明：薄膜内部含有的主要元素为ZrW和N，在整个膜层中其含量随溅射时间均呈现周期性的变化，这从侧面证明了薄膜的多层结构。与低角度XRD测试结果吻合。薄膜与基底之间存在一个混合区，同时存在Zr、N和Si三种元素，说明Zr、N已经渗透到基底表面下一定深度。 所有薄膜的厚度都控制在500-600 nm；多层膜的压应力都低于两单质薄膜应力的平均值。固定辅助能量为100 eV，随着周期的增加应力大致呈增长趋势。调制周期为5.1nm的样品具有最小的压应力(-2.5 GPa)。固定调制周期，随着辅助能量的增加，应力呈减小趋势。 固定辅助能量为100 eV，纳米硬度和弹性模量均随调制周期的增加先增大后减小，在A=8.6 nm时，多层膜的硬度和弹性模量均出现最高值。固定调制周期，随着辅助能量的增加，纳米硬度和弹性模量先增加后减小，辅助能量为300eV时多层膜的机械性能达到最佳。所有多层膜的临界载荷均高于两单质薄膜的平均临界载荷。在划痕过程的五分之一处对划后样品进行横向扫描测试，辅助能量为100 eV，A=8.6 nm的多层膜的沟宽、残余深度和划后表面的堆积都仅有单层膜的十分之一。 磁控溅射沉积CrN／ZrN多层膜部分： XRD分析结果表明：多层薄膜中都只出现微弱的较宽的ZrN(111)峰。在较高的N<,2>流量时，CrN的(111)取向十分突出。随着NH<,3>／N<,2>比例的增加，CrN(111)峰的强度减小，但在61.06<'。>出现一个很强的结构，对应的是Cr<,2>N(211)的择优取向或者是飘移的CrN(220)峰。转速为11 rpm和4 rpm条件下制备的样品的调制周期分别为2.2 nm和3.6 nm。 AES、XPS的分析结果表明：薄膜内部含有的主要元素为Cr,zr和N，其含量保持恒定且与设计的薄膜成分基本一致。 所有薄膜的厚度都控制在1000-1100nm；多层膜的压应力基本都高于两单质薄膜应力的平均值。固定NH<,3>／N<,2>比为13％，随着调制周期的增加应力大致呈减小趋势。基底转速为7 rpm条件下合成的多层膜具有最小的压应力(-2.3 GPa)。固定基底转速为11rpm，NH<,3>与N<,2>流量比为19％时，薄膜的压应力最低。 所有的CrN／ZrN多层膜的硬度均高于两个单质膜的硬度平均值。固定NH<,3>／N<,2>比为13％，多层膜纳米硬度随着调制周期的增加有减小的趋势，在转速为11 rpm时合成的样品薄膜有最高硬度31 Gpa。固定基底转速为11 rpm，当NH<,3>与N<,2>流量比为27％时，薄膜的硬度最高达到32 Gpa。 CrN单膜的磨损率要远低于ZrN，基底转速为11 rpm，NH<,3>与N<,2>流量比为13％时合成的周期为1.45 nm的多层膜的磨损率最小，尽管它的摩擦系数不是最低，这也说明影响耐磨性的因素不是只由摩擦系数决定的。 以 上研究结果证明：用离子束辅助沉积技术可以制备机械性能优良的ZrN／W多层膜，用非平衡直流磁控溅射技术可以制备机械性能优良的CrN／ZrN多层膜，通过改变调制周期、辅助能量和反应气体的流量等工艺参数，可以控制薄膜的结构特征，提高力学性能和抗磨损性能，为开发ZrN／W、CrN／ZrN多层膜在实际中的应用提供了有价值的实验和理论数据。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2硬质薄膜材料的研究进展和应用前景

1.2.1硬质薄膜及其分类

1.2.2纳米多层膜

1.3薄膜制备技术

1.4本文研究的薄膜材料

1.5本文研究内容和意义

1.5.1研究内容

1.5.2研究意义

第二章实验原理、方法和实验安排

2.1实验原理、方法

2.1.1离子束辅助沉积（IBAD）

2.1.2磁控溅射（MS）

2.2薄膜的结构特征测试方法

2.2.1X射线衍射（XRD）与小角X射线衍射（LA-XRD）分析

2.2.2俄歇电子能谱（AES）分析

2.2.3X射线光电子能谱（XPS）分析

2.3薄膜的力学及摩擦磨损性能测试方法

2.3.1XP-2台阶仪（surface profiler）

2.3.2XP纳米压痕仪（nanoindentor）

2.3.3MS-T3000材料表面性能测试仪

第三章ZrN/W多层膜的结构特征、力学性能分析

3.1ZrN/W多层膜的结构特征分析

3.1.1薄膜的小角X射线衍射（LA-XRD）与X射线衍射（XRD）

3.1.2薄膜的俄歇电子能谱（AES）分析

3.2ZrN/W多层膜的力学性能分析

3.2.1厚度

3.2.2内应力

3.2.3纳米硬度及弹性模量

3.2.4膜基结合力

3.2.5纳米定位压痕

3.3本章小结

第四章CrN/ZrN多层膜的结构特征、力学及摩擦磨损性能分析

4.1CrN/ZrN多层膜的结构特征分析

4.1.1薄膜的小角X射线衍射（LA-XRD）与X射线衍射（XRD）

4.1.2薄膜的俄歇电子能谱（AES）分析

4.1.3薄膜的X射线光电子能谱（XPS）分析

4.2CrN/ZrN多层膜的力学及摩擦摩损性能分析

4.2.1厚度

4.2.2内应力

4.2.3纳米硬度及弹性模量

4.2.4磨损率和摩擦系数

4.3本章小结

参考文献

硕士在读期间发表的论文

硕士在读期间参加的会议

致谢