TiN/TaN纳米多层膜微结构和力学性能的研究

摘要

氮化物/氮化物纳米多层膜性能的奇异性具有重要的理论价值和工程应用价值，引起了广泛的关注。因此，本文采用磁控溅射技术制备了结构相同的TiN/TaN纳米多层膜，对多层膜的显微结构和硬度、弹性模量等力学性能以及摩擦学性能进行研究。研究结果表明：TaN单层膜在低氮气氛或者高沉积功率下容易生成面心立方TaN，随着氮气含量的升高或者沉积功率的下降都会导致六方TaN相的生成；沉积功率太高会导致六方Ta2N相形成。在小调制周期时，多层膜中的TiN与TaN层皆为面心立方结构，形成了超晶格结构；调制结构对TiN/TaN多层膜的生长行为具有重要影响，导致多层膜的生长行为变化的主要原因是TiN与TaN层之间的界面应力；调制结构不仅改变多层膜的生长速率，而且能导致多层膜择优生长取向的变化；在TiN/TaN多层膜中存在着各自独立外延生长的[111]和[100]两种择优取向的调制结构，这两种调制结构的调制周期存在着一定的差异；调制周期为6nm左右的TiN/TaN多层膜，其硬度提高大约50％，在调制比介于3：1和1：1之间时，硬度最大，大约为34.2GPa；调制周期为9.07nm左右的TiN/TaN多层膜其硬度和弹性模量同时达到最大值，硬度值为39.54GPa，弹性模量值为450.50GPa，其硬度提高约100％；根据结构和力学性能的分析结果，讨论TiN/TaN多层膜的硬化机制，TiN/TaN多层膜的超硬机制以协调应变效应为主，同时多层膜的晶粒细化与择优生长取向对薄膜硬度也有一定的影响。同TiN单层膜相比，TiN/TaN多层膜在相同的试验条件下同GCr15钢对摩时的摩擦系数较低，并且其磨损量损失小得多，这同TiN/TaN多层膜的多层界面效应和超硬效应密切相关；TiN/TaN多层膜以球-盘方式同GCr15钢在干摩擦条件下配副时的主要磨损机理为犁削、粘着和局部剥落。

目录

文摘

英文文摘

独创性说明及大连理工大学学位论文版权使用授权书

绪论

1.1多层膜研究背景

1.2多层膜研究现状与进展

1.3多层膜硬度的理论预测

1.4多层膜的机械性能

1.4.1相同结构多层膜

1.4.2异结构多层膜

1.5多层膜的摩擦学性能

1.6多层膜的应用

1.7选题意义与研究内容

2 TiN/TaN纳米多层薄膜的制备及分析方法

2.1引言

2.2本论文中薄膜制备的方法

2.2.1实验设备

2.2.2实验前的基片处理

2.3薄膜分析方法

2.3.1结构表征技术

2.3.2多层膜硬度表征

3不同调制比TiN/TaN多层膜的生长行为和力学性能的研究

3.1引言

3.2 TaN单层膜的制备工艺探索

3.2.1制备TaN单层膜的目的与意义

3.2.2 TaN单层膜的制备

3.2.3 TaN单层膜的生长行为

3.3 TiN/TaN多层膜的制备工艺

3.3.1 TiN、TaN单层膜沉积率的设定

3.3.2 TiN/TaN多层膜的制备

3.3.3 TiN/TaN多层膜的表征方法

3.4 TiN/TaN多层膜的结构

3.4.1 TiN/TaN多层膜的小角XRD分析

3.4.2 TiN/TaN多层膜的高角XRD分析

3.4.3 TiN/TaN多层膜的HRTEM分析

3.5 TiN/TaN多层膜的力学性能

3.6本章结论

4不同调制周期TiN/TaN多层膜生长行为和力学性能的研究

4.1引言

4.2实验方法

4.3 TiN/TaN多层膜的结构表征

4.3.1 TiN/TaN多层膜小角XRD分析

4.3.2 TiN/TaN多层膜高角XRD分析

4.4 TiN/TaN纳米多层膜的力学行为

4.4.1 TiN/TaN纳米多层膜的纳米力学性能

4.4.2 TiN/TaN多层膜摩擦磨损行为

4.5本章小结

5结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢