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在Si(100)基底上設計合成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測試系統(tǒng)研究薄膜的機械性能，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構特征。揭示多層膜體系的結構和性能以及工藝參數(shù)之間的相互關系，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)于單質薄膜材料。合成具有高

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

3、及微弱的ZrB2(101)和AIN(101)取向，另由于在濺射過程中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體材料硬度的平均值。當調制周期為7.6nm，ZrB2和AIN的調制比例為3:2，離子轟擊能量為300eV，氮離子束流為5mA時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)制備了幾個系列的ZrB2/W和ZrB2/WNx納米多層膜，分析了調制周期、調制比例、離子轟擊能量和基底溫度等實驗條件對薄膜結構與性能的影響。SEM和低角X射線衍射表明薄膜具有界面清晰的多層結構。高角XRD表明W的單層膜為立方結構，WNx單層具有六方和立方混合相結構，ZrB2薄膜顯示出了典型的六方結構，多層膜出現(xiàn)混合晶向和非晶兩種狀態(tài)。實驗表明當調制周期為9.6nm，ZrB2和WNx的調制比例為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納米多層膜硬度達到36.6GPa，并且彈性模量和殘余應力及膜基結合力也獲得很好的效果。 以上結果表明，用超高真空離子束輔助沉積技術制備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、應力低的薄膜，可望成為應用于刀具的涂層