磁控濺射技術(shù)設(shè)計合成Nb-B-Al-O納米復(fù)合膜和NbB2-NbN多層膜的研究.pdf

1、本文利用磁控濺射鍍膜技術(shù)在Si基底上設(shè)計制備了Nb-B-Al-O納米復(fù)合薄膜和NbB2/NbN納米多層薄膜。通過改變實驗參數(shù)探究了NbB2在和Al2O3結(jié)合制備出具有較高機械性能和抗氧化耐高溫的Nb-B-Al-O納米復(fù)合薄膜，并在此基礎(chǔ)上進一步研究制備超硬薄膜，選取硬度較高的NbN和NbB2結(jié)合制備出超硬的NbB2/NbN納米多層薄膜，并通過第一性原理的計算進一步解釋了NbB2在多層膜中的致硬機理。
　　使用NbB2和Al2O3靶

2、通過多靶共濺的方法在Si基底上制備Nb-B-Al-O納米復(fù)合薄膜。研究了不同制備條件下基底偏壓和Al2O3功率對薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。在-160V偏壓下具有最好的力學性能，此時的XRD顯示出NbB2和Al2O3共同結(jié)晶且衍射峰最強，此時的薄膜具有最高的硬度和彈性模量，分別為23.4GPa和274.5GPa，應(yīng)力值為0.29GPa，-160V的臨界載荷高達31mN。通過調(diào)節(jié)Al2O3的功率可以控制Al2O3在Nb-B-Al-O納米復(fù)合膜中

3、的含量，高功率對應(yīng)的Al2O3含量較低，且隨著功率的增加，NbB2晶粒尺寸逐漸變大，Al2O3結(jié)構(gòu)由無定型變?yōu)橄噜廚bB2晶粒間的弱結(jié)晶相，結(jié)構(gòu)的變化導致了性能的提升。
　　考慮到NbB2的高硬度，我們選擇同樣高硬度的NbN通過多靶磁控立式濺射系統(tǒng)制備NbB2/NbN納米多層膜以獲得較高的力學性能。在改變調(diào)制比的情況下，當NbN∶NbB2=1∶4時，NbB2結(jié)晶出現(xiàn)最強的(001)表面，對應(yīng)薄膜的機械性能最高點，對應(yīng)硬度和模量分別

4、為36.86GPa和412.31GPa，殘余應(yīng)力值為1.818GPa，臨界載荷為80.89mN。繼續(xù)增加NbB2比例到1∶5，多層膜中的NbB2呈現(xiàn)塊體NbB2的結(jié)構(gòu)類型。隨著NbB2/NbN納米多層膜中NbN比例的增加，NbN結(jié)構(gòu)中的(111)(200)晶面收到表面能和界面能的共同影響，在NbN∶NbB2在調(diào)制比為3∶1時達到較好的結(jié)晶性。
　　多層膜XRD結(jié)果顯示NbB2(001)表面和NbB2塊體相比，起到了很好的致硬效果，

5、通過第一性原理計算NbB2(001)面和塊體NbB2中最強衍射峰(101)面的五種結(jié)構(gòu)下的穩(wěn)定性，分別研究了它們的表面弛豫、表面能和態(tài)密度。結(jié)果表明，NbB2(001)面總體比NbB2(101)面穩(wěn)定性更高，其中NbB2(001)-B是幾種結(jié)構(gòu)中最穩(wěn)定的面。
　　以上結(jié)果表明，本文利用磁控濺射技術(shù)在Si基底上設(shè)計合成的Nb-B-Al-O納米復(fù)合膜和NbB2/NbN納米多層膜，在一定優(yōu)選的工藝條件下，可以得到較好的機械和抗高溫、抗氧