超硬含氧化物納米多層膜的獲得及研究

1、上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文超硬含氧化物納米多層膜的獲得及研究姓名：魏侖申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：材料加工工程指導(dǎo)教師：李建國(guó);李戈揚(yáng)20050201上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 摘 要ii路線 以及這一技術(shù)路線在多個(gè)材料體系中獲得成功應(yīng)用的研究結(jié)果 國(guó)內(nèi)外尚無報(bào)道本論文的主要研究結(jié)果如下1 室溫沉積的 TiB2 薄膜呈非晶態(tài) 當(dāng)它與 fcc- TiN 晶體層交替沉積制備成納米多層膜時(shí) 隨著 TiB2 調(diào)制層厚度的不同 多層膜的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變

2、化 當(dāng)層厚小于 2.9nm 時(shí) TiB2 調(diào)制層晶化為密排六方結(jié)構(gòu)并與面心立方的 TiN 層形成了異構(gòu)共格外延生長(zhǎng) 其共格關(guān)系為{ } { } 2 0001 // 111 TiB TiN 2 0 2 11 // 110 TiB TiN >< 由于存在晶格失配度 共格生長(zhǎng)的多層膜中形成了拉 壓交變應(yīng)力場(chǎng) 這種交變應(yīng)力場(chǎng)的存在以及 fcc- TiN 和 hcp- TiB2 滑移系的不同 導(dǎo)致多層膜產(chǎn)生硬度和彈性模量升高的超硬效應(yīng)

3、 最高硬度和彈性模量分別達(dá)到 46.9GPa 和 465GPa 隨著 TiB2 厚度的增加 TiB2 層逐漸形成了非晶態(tài) 破壞了納米多層膜的共格外延生長(zhǎng) 形成非晶 TiN和非晶 TiB2 交替的調(diào)制結(jié)構(gòu) 多層膜的硬度和彈性模量明顯降低2 對(duì) TiN/SiO 2 納米多層膜的研究發(fā)現(xiàn) 盡管室溫濺射條件下 TiN 和 SiO 2 單層膜分別以納米晶和非晶態(tài)存在 但是當(dāng)兩者交替沉積制備成多層膜時(shí) 由于受到 TiN層(111)生長(zhǎng)面的模板作用

4、SiO 2 層在厚度小于 1.0nm 時(shí)晶化并和 TiN 層形成了共格外延生長(zhǎng) 與之相應(yīng) 多層膜的硬度和彈性模量異常增高 最高分別達(dá)到 44.5 和473GPa 分析認(rèn)為 SiO 2 層的晶化以及由此形成的共格界面是 TiN/SiO 2 納米多層膜硬度提高的主要微結(jié)構(gòu)因素 繼續(xù)增加 SiO2 層厚度 SiO 2 層轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷ЫY(jié)構(gòu)阻斷了納米多層膜的共格外延生長(zhǎng) 多層膜的硬度和彈性模量亦隨之急劇減小 另一方面 TiN 層厚度的改變也能在一定

5、程度上影響納米多層膜的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能 但相對(duì)較小在 300°C 的沉積溫度下 TiN 單層膜的結(jié)晶完整性較好 而 SiO 2 單層膜仍以非晶態(tài)存在 由于不能有效提高 SiO2 晶化層的厚度 所以該溫度下制備的 TiN/SiO 2納米多層膜的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和室溫相比變化不大 沉積溫度的提高導(dǎo)致多層膜產(chǎn)生界面混合 在一定程度上削弱了多層膜硬度的增加3研究發(fā)現(xiàn) 350°C 溫度下沉積的 TiB2 單層膜可以完全晶化為 hcp