AlN/TiSiN纳米多层膜的微观组织和力学性能研究

采用TiSi复合靶和Al靶,用射频磁控溅射工艺沉积不同TiSiN层厚度的AlN/TiSiN纳米多层膜。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和纳米压痕仪研究了不同TiSiN层厚度对AlN/TiSiN纳米多层膜的微观组织和力学性能的影响。结果表明,随着TiSiN层厚度的增加,AlN相的结晶程度先增加后降低,涂层的硬度先提高后降低,当TiSiN层厚度为0.5nm时具有最高的硬度和弹性模量。HRTEM观测可知,在TiSiN层厚度为0.5nm时,TiSiN层在AlN层的模板作用下呈密排六方结构,并与AlN层呈共格外延生长,薄膜的强化主要与共格外延生长结构有关。     

不同厚度二维VN插入层对TiSiN纳米复合膜微观结构和力学性能的影响

采用TiSi复合靶与V靶, 用射频磁控溅射工艺在TiSiN纳米复合膜中插入不同厚度的VN纳米层, 采用X射线衍射仪(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和纳米压痕仪研究了VN插入层厚度对TiSiN纳米复合膜的微观结构和力学性能的影响。结果表明: 当TiSiN纳米复合膜中插入VN纳米层厚度较小时, 薄膜由纳米复合结构转变成纳米多层结构, 薄膜硬度降低。继续增加VN层厚度, 薄膜硬度随之升高, 在VN沉积层厚为0.5 nm时薄膜出现连续贯穿多层纳米层、结晶度良好的柱状晶, TiSiN层与VN层呈共格外延生长的结构, 薄膜硬度达到37.2 GPa。随着VN层厚的继续增加, 薄膜的共格外延生长结构消失, 硬度下降。     

调制结构对TiN/ZrN纳米多层膜的表面形貌、生长行为及力学性能的影响

利用射频反应磁控溅射方法,设计并制备了一系列不同调制周期的TiN/ZrN纳米多层膜.利用原子力显微镜、X射线衍射仪和纳米压痕仪对多层膜的表面形貌、微观结构和力学性能进行了系统表征.研究结果表明调制结构影响着薄膜的择优生长取向、沉积速率和表面形貌;在调制周期为7nm～26nm的范围内,随调制周期的增加,TiN/ZrN多层膜的织构取向有从(100)面向(111)面转变的趋势;TiN和ZrN层的沉积速率随调制周期的变化而变化.在调制周期为15nm左右时,表面粗糙度最小,减小和增加调制周期均导致粗糙度的增加.力学性能分析表明TiN/ZrN多层膜的硬度和弹性模量均高于单一TiN和ZrN的硬度和弹性模量,且随着调制周期的减小有逐渐增加的趋势.此外,根据调制结构和力学性能的分析结果,讨论了TiN/ZrN纳米多层膜的硬化机制.     

ZrN/WN纳米多层膜的结构与性能研究

选择锆和钨的氮化物作为个体层材料,利用超高真空射频磁控溅射系统制备ZrN、WN及一系列的ZrN/WN多层薄膜.通过XRD,SEM和纳米力学测试系统分析了该体系合成中调制周期与ZrN、WN单层厚度比例(tZrN/tWN)对多层膜结构与机械性能的影响.结果表明:大部分多层膜的纳米硬度与弹性模量值都高于两种个体材料硬度的平均值;当调制周期Λ=30nm,tZrN:tWN=2:3时,结晶出现多元化,多层膜体系的硬度、应力以及弹性模量均达到最佳效果.多层膜的机械性能改善明显与其多层结构和多晶结构有直接的联系.     

SiO2层晶化对TiN/SiO2纳米多层膜结构和性能的影响

采用多靶磁控溅射法制备了一系列具有不同SiO2调制层厚的TiN/SiO2纳米多层膜.利用X射线衍射、X射线能量色散谱、扫描电子显微镜、高分辨电子显微镜和微力学探针表征和研究了多层膜的生长结构和力学性能.结果表明,具有适当厚度(0.45～0.9 nm)的SiO2调制层,在溅射条件下通常为非晶态,在TiN层的模板作用下晶化并与TiN层共格外延生长,形成具有强烈(111)织构的超晶格柱状晶多层膜;与此相应,纳米多层膜产生了硬度和弹性模量异常增高的超硬效应(最高硬度达45 GPa).随着SiO2层厚度的继续增加,SiO2层转变为非晶态,阻断了多层膜的共格外延生长,使纳米多层膜形成非晶SiO2层和纳米晶TiN层的多层结构,多层膜的硬度和弹性模量逐渐下降.     

HfN/HfB_2纳米多层膜结构调制及其力学性能

为了进一步了解调制周期对HfN/HfB2纳米多层膜力学性能的影响,利用多靶磁控溅射技术,在Si(100)基底上制备了一系列具有相同厚度不同调制周期的HfN/HfB2纳米多层膜。利用XRD、TEM、XP-2台阶仪、纳米压痕仪及摩擦试验机分别分析了多层膜的结构特征、力学性能和室温下摩擦性能。结果表明,室温下沉积的多层膜呈现出结晶/非晶的混合结构;随着调制周期的增大,多层膜的结晶程度先增加后降低,其硬度和弹性模量也呈现出先升高后降低的趋势;当调制周期为40nm时,多层膜的硬度和弹性模量均达到最大值,分别为(36.72±1.3)和(378.41±5.6)GPa,并且此时多层膜具有较高的膜基结合力(Lmax=67.3mN)和较低的平均摩擦系数(0.061);在调制周期为20nm时,多层膜的残余应力达到最小值为-0.82GPa;经过高温退火后,多层膜的硬度和弹性模量均无明显变化,说明其具有良好的热稳定性;多层膜的结构和力学性能随调制周期的变化归因于晶粒的细化。     

ZrN/TiAlN纳米多层膜的制备及其结构与性能的研究

利用高真空离子束辅助沉积系统在室温下制备了ZrN,TiAlN和一系列ZrN/TiAlN纳米多层膜,利用X射线衍射仪、纳米力学测试系统和多功能材料表面性能实验仪表征了薄膜的微结构和机械性能,分析了调制周期对薄膜结构与机械性能的影响.结果表明大部分多层膜的纳米硬度与弹性模量值都高于两种个体材料硬度的平均值,当调制周期为6.5 nm时,多层膜硬度达到最高(30.1 GPa),弹性模量、粗糙度、摩擦以及划痕测试均达到最佳效果.     

Zr基氮化物／金属Cu纳米多层膜的强韧化研究

多层结构可以提高材料的强度、弹性模量和韧性。当尺寸减小到纳米量级时,性能将产生飞跃变化。首先探讨了多层结构提高强度、弹性模量和韧性等性能的基本原理,然后阐明了纳米尺度效应及理论,重点以过渡族金属氮化物ZrN纳米多层膜为例,研究了氮化物／金属（ZrN／Cu）纳米多层膜、ZrAIN纳米复合膜以及ZrAIN／Cu纳米多层膜的强韧化性能。结果表明,ZrN／Cu纳米多层膜的断裂韧性约是二元ZrN薄膜的2倍。当纳米多层膜的Cu单层厚度为2013131时,多层膜的K1C值最高。ZrAIN复合膜的断裂韧性与Al含量密切相关,当Al原子分数为23％时,薄膜的KIc值达3．17MPa·m^1/2,其硬度〉40Gpa,Al原子分数为47％的薄膜的K1C值则降低到1．13MPa·m…。,其硬度降低至17．1GPa。与z州／cu纳米多层膜和ZrAlN复合膜相比,以ZrAIN层和cu层为调制结构制备的ZrAlN／Cu纳米多层膜具有最高的硬度和最好的韧性。     

Si含量对NbN/CrSiN纳米多层膜微观结构和力学性能的影响

采用磁控溅射工艺在Si底片依次沉积NbN、CrSiN纳米层,通过改变靶材的Si含量,制备出一系列NbN/CrSiN纳米多层膜。分别采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高透射电子显微镜(HRTEM)和纳米压痕仪研究Si含量对NbN/CrSiN纳米多层膜显微结构和力学性能的影响。实验结果表明,随着Si含量的增加,NbN相的结晶程度先增加后降低,薄膜的硬度和弹性模量也是先增高后降低,在n(Si)∶n(Nb)=3∶22时获得最高硬度和弹性模量,分别为31.92和359.3GPa。显微结构表征表明,当n(Si)∶n(Nb)=3∶22时,NbN/CrSiN纳米多层膜柱状晶生长状况最好,CrSiN层在NbN层的模板作用下转变为面心立方结构,并与NbN层呈共格外延生长。薄膜力学性能的提高主要与CrSiN与NbN形成的共格外延生长结构有关。     

离子轰击能量对ZrN/TiAlN纳米多层膜性能的影响

使用超高真空离子束辅助沉积系统(IBAD)制备一系列具有纳米调制周期的ZrN/TiAlN多层膜,研究了离子辅助轰击对薄膜性能的影响.结果表明:离子辅助轰击使大部分ZrN/TiAlN多层膜的纳米硬度和弹性模量值高于两种个体材料硬度的平均值;离子的轰击和薄膜表面原子与轰击离子之间的动量传输提高了薄膜的致密度;当轰击能量为200 eV时,多层膜的硬度最高(30.6 GPa),弹性模量、表面粗糙度和摩擦系数等也明显改善.