轰击能量对离子束辅助磁控溅射沉积Cr-N薄膜断裂韧性的影响

摘要

应用低能离子束辅助磁控溅射技术(IBAMS)沉积Cr-N薄膜,用场发射扫描电镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线衍射表征薄膜的组织结构,讨论了轰击能量对Cr-N薄膜组织、晶粒度以及硬度和断裂韧性的影响.结果表明:随离子束辅助轰击能量的升高,Cr-N薄膜由粗大的柱状晶变为细小的晶粒,当轰击能量达到1 200 V时,薄膜呈现等轴晶结构,薄膜致密度增加.FESEM得到的表面颗粒尺寸和AFM得到的粗糙度随轰击能量升高呈现相同的变化趋势,这些表观大颗粒是由许多小的亚晶块聚集而成.进一步用X射线衍射谱形分析表明:随轰击能量从0 V升高到800 V时,亚晶块的尺寸逐渐减小;到800 V时,晶块尺寸约为9 nm,但当能量升到1 200 V时,晶块尺寸反而增大,这是由离子束辅助轰击导致的两种不同机制而引起的,一种是离子轰击导致的喷丸碎化作用,而另一种为热效应引起的晶粒长大;当轰击能量从0 V增加800 V时,薄膜的硬度和断裂韧性都显著提高,与晶粒度的减小有关;而到1 200 V时,晶粒度较未辅助略大,但却具有很高的硬度以及较高的断裂韧性,说明硬度和断裂韧性的提高还与离子束轰击导致薄膜的致密化增加有关.