EB-PVD Ni-Cr薄板沉積的多尺度模擬.pdf

1、應(yīng)第四代金屬熱防護(hù)系統(tǒng)發(fā)展的需要，大尺寸高溫合金薄板的制備已成為必須攻克的難關(guān)。電子束物理氣相沉積(EB-PVD)技術(shù)為解決這一難題提供了有效途徑。但是，EB-PVD設(shè)備龐大，工藝復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)研究成本高、效率低，必須尋求除實(shí)驗(yàn)以外的研究方法更加深入、系統(tǒng)地對(duì)材料沉積過程及材料性能進(jìn)行研究?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力及理論物理的發(fā)展為EB-PVD薄板沉積過程模擬提供了必備的條件。本文采用二維動(dòng)態(tài)蒙特卡羅(KMC)與元胞自動(dòng)機(jī)(CA)相結(jié)合的方法模擬

2、大尺寸Ni-Cr合金薄板沉積過程中工藝參數(shù)（基板溫度、沉積速率、入射角度）對(duì)薄板微觀結(jié)構(gòu)的影響，并研究基板溫度為500K(2D溫度)，最大理論沉積速率為2.5μm/min時(shí)大尺寸合金薄板性能沿基板徑向的分布特征。
　　KMC模擬中，用嵌入原子法(EAM)表征Ni原子間相互作用，用嵌入原子法的合金模型描述Ni-Cr原子間相互作用，用動(dòng)量機(jī)制確定被吸附原子在表面上的初始構(gòu)型，用分子穩(wěn)態(tài)計(jì)算(MS)方法計(jì)算擴(kuò)散模型中躍遷原子的激活能，用

3、紅黑樹選擇躍遷路徑并更新系統(tǒng)躍遷機(jī)率。對(duì)于模擬結(jié)果，用表面粗糙度和堆積密度作為沉積構(gòu)型評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)利用分維理論研究基板溫度、沉積速率對(duì)Ni-Cr薄膜分維的影響。為研究合金薄板的性能，采用KMC模擬恒溫時(shí)間對(duì)Ni-Cr薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響，并結(jié)合工藝參數(shù)對(duì)薄膜微觀結(jié)構(gòu)影響的KMC模擬結(jié)果，建立CA模擬中的元胞演化規(guī)則。最后，用CA模擬相應(yīng)工藝參數(shù)制備了大尺寸合金薄板，用原子力顯微鏡(AFM)分析、電阻率測量及厚度測量方法驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠

4、性。
　　研究結(jié)果表明：對(duì)于Ni及Ni-Cr薄膜，基板溫度、沉積速率以及入射角度共同作用影響薄膜的沉積結(jié)構(gòu)。在特征入射角度是35°時(shí)，基板溫度和沉積速率對(duì)表面粗糙度和堆積密度的影響均存在兩個(gè)臨界值：當(dāng)沉積速率是5μm/min時(shí)，臨界基板溫度是250K和500K；當(dāng)基板溫度是500K時(shí)，臨界沉積速率是5μm/min和1000μm/min。在臨界基板溫度和臨界沉積速率區(qū)間內(nèi)：表面粗糙度隨基板溫度升高而減小、隨沉積速率增大而增大；堆積密

5、度隨基板溫度升高而增加、隨沉積速率增大而降低。當(dāng)基板溫度低于250K，或沉積速率大于1000μm/min時(shí)，沉積結(jié)構(gòu)含有豐富的空位，堆積密度僅為77.8％左右，表面粗糙度達(dá)3.31。當(dāng)基板溫度高于500K，或沉積速率小于5μm/min率時(shí)，沉積結(jié)構(gòu)中空位含量很少，堆積密度達(dá)99.6%以上，表面粗糙度在1.1附近。這些結(jié)果表明基板溫度和沉積速率都影響薄膜生長過程中的擴(kuò)散，高基板溫度和低沉積速率有利于原子充分?jǐn)U散，是制備結(jié)構(gòu)致密薄膜的必備條

6、件。
　　當(dāng)沉積速率是5μm/min，基板溫度是300K和500K時(shí)，研究入射角度對(duì)表面粗糙度和堆積密度的影響發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度和堆積密度曲線在入射角度等于35°時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)：當(dāng)入射角度小于35°時(shí)，入射角度增大對(duì)表面粗糙度增加和堆積密度減小的影響很少，但是當(dāng)入射角度大于35°時(shí)，隨入射角度增大表面粗糙度快速增加、堆積密度迅速減小。而且，當(dāng)基板溫度是300K時(shí)入射角度對(duì)薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響程度大于基板溫度是500K時(shí)的情況。說明高基板溫

7、度促使原子更加充分地?cái)U(kuò)散，從而削弱自陰影效應(yīng)的作用。在保證足夠高基板溫度和合理沉積速率的情況下，入射角度過大同樣不利于致密結(jié)構(gòu)形成。
　　基于KMC模擬的CA研究表明，沿基板徑向方向合金薄板的微觀結(jié)構(gòu)存在差異。大尺寸薄板的表面粗糙度隨偏離基板旋轉(zhuǎn)中心距離r增大而增大；堆積密度在r=400mm時(shí)達(dá)到最低水平，當(dāng)r<400mm時(shí)，隨r增大堆積密度降低，當(dāng) r>400mm時(shí)，隨 r增大堆積密度升高；薄板厚度在r=300mm時(shí)取得最大值，

8、當(dāng) r<300mm時(shí)，隨 r增大板厚增加，當(dāng)r>300mm時(shí)，隨 r增大板厚減小，但是在r<400mm范圍內(nèi)，板厚差在8%以內(nèi)。
　　為了驗(yàn)證模擬的可靠性，用CA模擬相應(yīng)的工藝參數(shù)制備了大尺寸合金薄板，并測試了其性能。AFM分析表明，隨 r增大薄板表面粗糙度增大，CA預(yù)測的趨勢正確；電阻率測量結(jié)果說明CA預(yù)測空位分布方面的正確性；薄板厚度測量結(jié)果一方面證明了CA預(yù)測的正確性，另一方面說明蒸發(fā)源的發(fā)射特性滿足cos3θ分布。模擬結(jié)果