納米Ni-Cr薄膜的制備、表征及其性能研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，薄膜技術(shù)已經(jīng)與壓力傳感器制造技術(shù)相結(jié)合。我國(guó)國(guó)防、航空、航天、現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和自動(dòng)控制都急需高精度、高穩(wěn)定性、耐惡劣環(huán)境的納米合金薄膜壓力傳感器。研制具有穩(wěn)定的電性能，高電阻值、較小的電阻溫度系數(shù)(TCR)、高敏感度、能適應(yīng)苛刻環(huán)境的納米薄膜是薄膜壓力傳感器已成當(dāng)務(wù)之急。本文利用低能離子束濺射技術(shù)成功地制備了性能優(yōu)良且致密無(wú)缺陷的納米Ni-Cr薄膜；系統(tǒng)研究了納米Ni-Cr薄膜的制備工藝；表征了納米Ni-Cr薄膜的

2、形貌、結(jié)構(gòu)、成分以及電學(xué)性能，提出了濺射態(tài)納米Ni-Cr薄膜準(zhǔn)-非晶寬界面電導(dǎo)機(jī)制、層狀擴(kuò)散機(jī)制、分層氧化機(jī)制，成功地解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。主要得到以下結(jié)論： 首先，基于薄膜凝固態(tài)物理基本原理、合金薄膜濺射知識(shí)，同時(shí)考慮濺射率、濺射能和結(jié)合能的關(guān)系，推導(dǎo)出了計(jì)算預(yù)測(cè)Ni-Cr薄膜成分的簡(jiǎn)便公式，提出了一種計(jì)算預(yù)測(cè)納米Ni-Cr薄膜成分的設(shè)計(jì)原則與薄膜制備方法；采用此方法成功地制備了各種成分與厚度的納米Ni-Cr薄膜。經(jīng)過(guò)正交實(shí)驗(yàn)分析，

3、研究了磁控濺射納米Ni-Cr薄膜濺射沉積行為、薄膜成分與濺射工藝參數(shù)的關(guān)系；探討了影響薄膜成分和顯微結(jié)構(gòu)以及電阻率、電阻溫度系數(shù)和應(yīng)變因子的主要因素；提出了納米Ni-Cr薄膜的分層氧化模型；優(yōu)化設(shè)計(jì)了納米Ni-Cr薄膜的成分、厚度、電阻溫度系數(shù)、應(yīng)變因子及熱退火工藝。實(shí)驗(yàn)證實(shí)：計(jì)算預(yù)測(cè)薄膜成分后通過(guò)磁控共濺射法制備所需成分的納米Ni-Cr薄膜是可行的。 第二，基于金屬熱力學(xué)基本原理，考慮三種元素的相互影響，擴(kuò)展了Daken公式；

4、首次提出了Ni-Cr薄膜層狀梯度擴(kuò)散模型，應(yīng)用菲克第二擴(kuò)散定律，用疊加法原理，推導(dǎo)出一個(gè)同時(shí)包含三個(gè)元素的擴(kuò)散計(jì)算方法，用此方法計(jì)算了Ni、Cr元素的擴(kuò)散系數(shù)以及從界面向基體中的擴(kuò)散距離。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象吻合良好。 第三，利用低能離子束轟擊及原子級(jí)聯(lián)碰撞效應(yīng)，以動(dòng)能轉(zhuǎn)換，靶原子搬遷新技術(shù)，在雙離子束濺射鍍膜機(jī)上成功地制備了性能優(yōu)良的納米Ni-Cr薄膜。系統(tǒng)研究了Ni-Cr薄膜的離子束濺射規(guī)律及性能影響因素。提出并推導(dǎo)了Ni-C

5、r薄膜中Ni、Cr原子面密度與再濺射原子通量比之間的關(guān)系式，可以直觀的表達(dá)出合金薄膜成分與濺射條件及靶成分的變化規(guī)律。研究了Ni-Cr薄膜離子束濺射時(shí)的選擇性濺射現(xiàn)象，探討了采用合金靶制備所需組分的Ni-Cr薄膜的濺射條件；表征了納米Ni-Cr薄膜的表面形貌、粗糙度、晶體結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)、晶胞常數(shù)、內(nèi)應(yīng)力等隨濺射條件、熱退火溫度的變化。分析了其生長(zhǎng)過(guò)程，電導(dǎo)機(jī)理及應(yīng)變敏感性。 研究結(jié)果表明：利用低能離子束濺射技術(shù)，可以有效抑制濺射

6、缺陷生成及晶粒尺寸的長(zhǎng)大，成功地制備了性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)致密的納米Ni-Cr薄膜。發(fā)現(xiàn)并提出了納米Ni-Cr薄膜中幾種電導(dǎo)機(jī)理轉(zhuǎn)變的薄膜厚度門(mén)檻值。提出了F-S模型、F-N模型及M-S模型理論在解釋實(shí)際納米Ni-Cr薄膜的電導(dǎo)機(jī)理時(shí)存在的局限性。發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)-非晶寬界面散射是造成電阻率增加的主要原因，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和薄膜物理基本概念，首次提出了濺射態(tài)薄膜準(zhǔn)-非晶寬界面散射模型，建立了納米薄膜準(zhǔn)-非晶寬界面散射電導(dǎo)理論，從薄膜物理學(xué)及熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角