EB-PVD Ni-Cr薄板沉積的多尺度模擬.pdf

1、應第四代金屬熱防護系統(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。電子束物理氣相沉積(EB-PVD)技術為解決這一難題提供了有效途徑。但是，EB-PVD設備龐大，工藝復雜，實驗研究成本高、效率低，必須尋求除實驗以外的研究方法更加深入、系統(tǒng)地對材料沉積過程及材料性能進行研究。現(xiàn)代計算機運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。本文采用二維動態(tài)蒙特卡羅(KMC)與元胞自動機(CA)相結合的方法模擬

2、大尺寸Ni-Cr合金薄板沉積過程中工藝參數（基板溫度、沉積速率、入射角度）對薄板微觀結構的影響，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，用動量機制確定被吸附原子在表面上的初始構型，用分子穩(wěn)態(tài)計算(MS)方法計算擴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)躍遷機率。對于模擬結果，用表面粗糙度和堆積密度作為沉積構型評價指標，同時利用分維理論研究基板溫度、沉積速率對Ni-Cr薄膜分維的影響。為研究合金薄板的性能，采用KMC模擬恒溫時間對Ni-Cr薄膜微觀結構的影響，并結合工藝參數對薄膜微觀結構影響的KMC模擬結果，建立CA模擬中的元胞演化規(guī)則。最后，用CA模擬相應工藝參數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證模擬結果的可靠

4、性。
　　研究結果表明：對于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構。在特征入射角度是35°時，基板溫度和沉積速率對表面粗糙度和堆積密度的影響均存在兩個臨界值：當沉積速率是5μm/min時，臨界基板溫度是250K和500K；當基板溫度是500K時，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：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。當基板溫度低于250K，或沉積速率大于1000μm/min時，沉積結構含有豐富的空位，堆積密度僅為77.8％左右，表面粗糙度達3.31。當基板溫度高于500K，或沉積速率小于5μm/min率時，沉積結構中空位含量很少，堆積密度達99.6%以上，表面粗糙度在1.1附近。這些結果表明基板溫度和沉積速率都影響薄膜生長過程中的擴散，高基板溫度和低沉積速率有利于原子充分擴散，是制備結構致密薄膜的必備條

6、件。
　　當沉積速率是5μm/min，基板溫度是300K和500K時，研究入射角度對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°時出現(xiàn)拐點：當入射角度小于35°時，入射角度增大對表面粗糙度增加和堆積密度減小的影響很少，但是當入射角度大于35°時，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，當基板溫度是300K時入射角度對薄膜微觀結構的影響程度大于基板溫度是500K時的情況。說明高基板溫

7、度促使原子更加充分地擴散，從而削弱自陰影效應的作用。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構形成。
　　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構存在差異。大尺寸薄板的表面粗糙度隨偏離基板旋轉中心距離r增大而增大；堆積密度在r=400mm時達到最低水平，當r<400mm時，隨r增大堆積密度降低，當 r>400mm時，隨 r增大堆積密度升高；薄板厚度在r=300mm時取得最大值，

8、當 r<300mm時，隨 r增大板厚增加，當r>300mm時，隨 r增大板厚減小，但是在r<400mm范圍內，板厚差在8%以內。
　　為了驗證模擬的可靠性，用CA模擬相應的工藝參數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預測的趨勢正確；電阻率測量結果說明CA預測空位分布方面的正確性；薄板厚度測量結果一方面證明了CA預測的正確性，另一方面說明蒸發(fā)源的發(fā)射特性滿足cos3θ分布。模擬結果