沉积粒子能量对Ti/TiN薄膜生长和性能的影响

摘要

载能粒子沉积技术是一种通过整体或部分提高沉积粒子能量来改善薄膜宏观性能的有效手段。本论文针对铀钛合金的腐蚀防护问题，从理论和实验两个部分开展了沉积粒子能量对Ti/TiN薄膜生长和性能的影响研究。
　　负偏压的形式和峰值是影响薄膜质量和使用性能的两个重要因素，首先采用分子动力学研究了偏压形式和峰值对薄膜形核生长、界面状态和基体沉积温度的影响。偏压峰值的增加可以提高沉积粒子的入射能量，随着沉积粒子入射能量的升高，基体表面形核点的数目增加、分布范围扩大，有助于促进晶粒的细化和薄膜的层状生长，但过高的入射能量会使沉积粒子对基体表面原子的溅射效应和膜层的破坏作用增强，从而降低薄膜的致密性和沉积速率。沉积粒子能量的增加还可以强化外延生长岛和基体表面层的相互作用，降低界面应力，提高膜基结合力。偏压形式可以影响基体的沉积温度，脉冲偏压相对于直流偏压峰值一般要大，通过调节“占空比”可以控制沉积粒子与基体表面相互作用的时间，既保证了级联体微区的高温高压，又使基体的整体温度保持在较低的水平，从而促进了薄膜晶粒的细化和膜基界面应力的松弛或消除。
　　在对偏压形式和峰值对薄膜质量和使用性能影响的理论分析基础上，考虑到偏压峰值大小作用的利弊，结合相关实验研究结果，选定了峰值范围为-400-800V范围内的脉冲负偏压，使用多弧和磁控复合离子镀与单一磁控溅射离子镀在铀钛合金基体上开展了Ti/TiN薄膜的制备研究，采用SEM、XRD、AFM、摩擦磨损、电化学腐蚀等分析手段对薄膜的结构和性能进行了表征。
　　研究结果表明，多弧和磁控复合离子镀相比于单一磁控溅射离子镀，虽然增加了薄膜的表面粗糙度和晶粒尺寸，但通过对偏压的优化组合，获得了抗Cl-腐蚀性能更优的Ti/TiN薄膜;多弧和磁控复合离子镀中，脉冲偏压峰值的大小能影响薄膜的平均晶粒尺寸和微观应变。当多弧沉积过程的偏压为-500V时，随着磁控沉积过程偏压的升高，薄膜的摩擦磨损和抗Cl-腐蚀性能降低;当多弧沉积过程的偏压为-800V时，随着磁控沉积过程偏压的升高，薄膜的摩擦磨损性能提高，抗Cl-腐蚀性能降低;多弧和磁控复合离子镀中，在保持磁控溅射沉积过程偏压不变的情况下，升高多弧沉积过程中的偏压可以减小大颗粒的尺寸和数目，提高膜基结合力和薄膜的抗Cl-腐蚀性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 铀及铀合金的腐蚀防护方法

1．1．1 电镀涂层

1．1．2 有机膜涂覆

1．1．3 表面钝化处理

1．1．4 离子注入

1．1．5 离子镀膜

1．2 薄膜生长的计算机模拟

1．2．1 薄膜载能沉积的形核生长过程模拟

1．2．2 薄膜的外延生长模拟

1．3 小结

第二章 理论计算和实验方法

2．1 理论计算

2．1．1 分子动力学基本方程和算法

2．1．2 等温系综分子动力学

2．1．3 EAM原子间相互作用势

2．1．4 模型近似方法

2．2 实验

2．2．1 实验设备简介

2．2．2 多弧和磁控溅射镀膜原理

2．2．3 薄膜性能测试方法

2．3 小结

第三章 Ti(0001)表面Ti原子沉积的分子动力学模拟

3．1 物理模型

3．2 计算结果与讨论

3．2．1 表面原子溅射

3．2．2 表面原子吸附

3．2．3 表面空位缺陷

3．2．4 级联体微区的温度

3．3 小结

第四章 Ti／Fe(001)体系异质外延生长的分子动力学模拟

4．1 物理模型

4．2 计算结果与讨论

4．2．1 外延岛生长的表面形貌

4．2．2 外延岛的平均键长与微观失配

4．2．3 外延岛与基体的应力应变状态

4．2．4 外延岛与基体的结合能

4．3 小结

第五章 脉冲负偏压大小对Ti／TiN薄膜结构和性能的影响

5．1 薄膜的制备

5．2 薄膜的表面状态

5．3 薄膜的界面状态

5．4 薄膜的XRD分析

5．5 薄膜的摩擦性能

5．6 薄膜的电化学腐蚀性能

5．7 小结

第六章 结论

可进一步开展的工作

致谢

参考文献

论文的创新点

攻读硕士学位期间发表论文及参加学术会议情况