離子束輔助沉積ZrB-,2--AlN和ZrB-,2--WN-,x-納米多層膜的研究.pdf

1、本文利用超高真空離子束輔助沉積技術(shù)在Si(100)基底上設(shè)計(jì)合成ZrB2/AIN和ZrB2/W及ZrB2/WNx納米多層膜。利用表面輪廓儀和納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)研究薄膜的機(jī)械性能，包括表面硬度、彈性模量以及薄膜與基底的附著力；還通過(guò)X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)等分析手段研究了薄膜的結(jié)構(gòu)特征。揭示多層膜體系的結(jié)構(gòu)和性能以及工藝參數(shù)之間的相互關(guān)系，找出合成最佳多層膜的工藝，使多層膜體系的硬度和附著力優(yōu)于單質(zhì)薄膜材料。合成具有高

2、硬度、高模量和低應(yīng)力的納米多層膜，希望成為應(yīng)用于刀具的涂層材料，提高刀具的切削速率，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。 利用ZrB2和AIN靶在Si(100)基底上制備ZrB2/AIN納米多層膜。討論了調(diào)制周期、調(diào)制比例和離子轟擊能量等實(shí)驗(yàn)條件對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)與性能的影響。SEM和低角X射線衍射證明了多層結(jié)構(gòu)。高角XRD表明單層膜ZrB2和AIN具有典型的六方結(jié)構(gòu)，一些多層膜表現(xiàn)出了明銳的ZrB2(001)、(100)和AIN(100)結(jié)晶取向，以

3、及微弱的ZrB2(101)和AIN(101)取向，另由于在濺射過(guò)程中B-離子和2r2+離子重新組合，ZrB2和ZrB2/AIN的X射線衍射圖顯示出有較弱的Zr(110)峰，XRD也表明不同的轟擊能量能引誘不同的結(jié)晶狀態(tài)。多層膜的納米壓痕硬度與彈性模量值大多都高于兩種個(gè)體材料硬度的平均值。當(dāng)調(diào)制周期為7.6nm，ZrB2和AIN的調(diào)制比例為3:2，離子轟擊能量為300eV，氮離子束流為5mA時(shí)薄膜具有最高的硬度(>31GPa)和臨界載荷(

4、57mN)。 用離子束輔助沉積系統(tǒng)制備了幾個(gè)系列的ZrB2/W和ZrB2/WNx納米多層膜，分析了調(diào)制周期、調(diào)制比例、離子轟擊能量和基底溫度等實(shí)驗(yàn)條件對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)與性能的影響。SEM和低角X射線衍射表明薄膜具有界面清晰的多層結(jié)構(gòu)。高角XRD表明W的單層膜為立方結(jié)構(gòu)，WNx單層具有六方和立方混合相結(jié)構(gòu)，ZrB2薄膜顯示出了典型的六方結(jié)構(gòu)，多層膜出現(xiàn)混合晶向和非晶兩種狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)調(diào)制周期為9.6nm，ZrB2和WNx的調(diào)制比例為3

5、:1，離子轟擊能量為200eV，硬度和彈性模量分別超過(guò)30GPa和406GPa；特別在基底溫度是430℃，離子轟擊能量為200eV，ZrB2/WNx納米多層膜硬度達(dá)到36.6GPa，并且彈性模量和殘余應(yīng)力及膜基結(jié)合力也獲得很好的效果。 以上結(jié)果表明，用超高真空離子束輔助沉積技術(shù)制備ZrB2/AIN和ZrB2/W及ZrB2/WNx納米多層薄膜，在一定優(yōu)選的工藝條件下，可以生成硬度高、附著力好、應(yīng)力低的薄膜，可望成為應(yīng)用于刀具的涂層