气相沉积纳米多层膜吸波性能及机理研究

利用离子束辅助气相沉积法在透明胶片基底上制备了A／B型纳米多层膜，其中A为铁磁层，B为介电层。用透射电镜(TEM)测定了多层膜的层间结构，用X射线光电子谱(XPS)测定了铁磁层中铁的化合态，并对样品在(8～18)CHz频段内的吸波性能进行了测试。结果表明，气相沉积法可以制得良好的层间结构，单层铁磁层和介电层厚度比有一个最佳值；多层膜的层数对吸波效果影响很大，铁磁层中铁的价态对吸波效果有一定的影响。基于这些试验结果，用量子理论探讨了纳米多层膜的吸波机理。     

Cu/Ni多层膜强化机理的分子动力学模拟

运用分子动力学方法模拟了Cu／Ni薄膜结构在纳米压入和微摩擦过程位错的运动规律,探讨了薄膜结构中位错与界面的相互作用规律．结果表明：Cu／Ni多层膜结构中的层间界面会阻碍位错继续向材料内部扩展,阻碍作用主要来自于两个方面：界面失配位错网对位错运动的排斥阻力使其难以到达或穿过界面;由弹性模量差而产生的界面镜像力使位错被限制在Cu单层膜内运动．这种阻碍作用有利于提高Cu／Ni多层薄膜的力学性能．     

金属纳米多层膜力学性能研究进展

新型功能材料及器件向小型化,集成化和复合化发展的趋势,使得尺寸在纳米尺度的层状材料和柔性多层器件在使用过程中的服役行为成为其发展的关键科学问题。本文结合作者近几年对Ag/M系列和Cu/M系列多层膜力学性能的研究工作,对金属纳米多层膜的微结构特征及其对力学性能的影响进行了回顾和总结,主要包括多层膜的晶粒形貌对其强化机制和塑性变形行为的影响,组元强度错配对多层膜硬化行为的影响,界面结构与其强度极值的关系、不对称界面结构引起的异常弹性模量增强和多层膜的室温蠕变机制及界面结构对蠕变性能的影响等几个方面,并对多层膜的力学性能研究进行了展望。     

电刷镀Cu/Ni纳米多层膜镀液的研究

应用扫描电子显微镜（SEM）对电刷镀Cu、Ni薄膜表面形貌进行了观察，并对膜层进行了能谱（EDS）成分分析。结果表明：改变镀液配比和沉积电压，镀层的成分和沉积速率都有明显的变化；在适当的镀液配比下，控制沉积电位，可以分别刷镀出Cu镀层和Ni镀层；控制沉积时间，可以实现纳米多层膜的制备；镀层的生长方式以沿晶外延生长为主，当沉积电压增高时，还伴随有新的晶核的形成和取向择优生长。     

应用电沉积方法制备纳米多层膜的研究现状

简述了电沉积多层膜的原理，介绍了电沉积方法制备纳米多层膜的研究现状，并讨论了电沉积金属多层膜的表观分析、性能及应用前景。     

磁控溅射Cu/Al多层膜的固相反应

采用磁控溅射技术原子比为2：1、调制周期A分别为20和5nm的Cu/Al多层膜，用X射线衍射（XRD），透射电镜（TEM）和热分析（DSC）等技术研究了多层膜的固相反应。∧＝20nm的多层膜样品中铜和铝膜均沿（III）方向择优生长，加热至145℃时生成α－Cu固溶体，超过191℃时生成γ2-Cu9Al4要。制备态∧＝5nm的样品有α-Cu生成。加热时γ2－Cu9Al4的生成温度显著降低（134℃），测定了∧＝20nm多层膜样品中α-Cu和γ2－CuAl4的形成激活能分别为0．56eV和0.79eV，后者与文献值相符。     

Cu/Nb纳米多层膜延性及其断裂行为

通过单轴拉伸试验研究恒定调制周期的聚酰亚胺基体Cu/Nb纳米金属多层膜的延性对调制比的依赖性,并采用聚焦离子束／扫描电子显微镜(FIB/SEM)截面定量表征技术深入分析多层膜的异质约束效应对断裂行为的影响.结果表明随着调制比的增加,多层膜的延性单调减小,出现由剪切型向张开型断裂模式的转变.当调制比小于某一临界值时,调制周期越小,多层膜延性越高;反之,则多层膜延性越差.这是由于软相Cu层对脆相Nb层中萌生的微裂纹扩展的约束作用.     

反应磁控溅射TiN/AlON纳米多层膜的微结构与显微硬度

采用Ti靶和Al2O3靶在Ar、 N2混合气氛中进行反应磁控溅射的方法,制备了一系列不同AlON层厚度的TiN/AlON纳米多层膜,利用EDS、XRD、HRTEM和微力学探针研究了AlON的形成条件以及AlON调制层厚的改变对多层膜生长方式和显微硬度的影响.结果表明,在Ar、N2混合气氛中对Al2O3进行溅射,N原子会部分取代Al2O3中的O原子,形成非晶态的AlON化合物.在TiN/AION纳米多层膜中,由于TiN晶体层的模板效应,AlON层在厚度小于0.6 nm时被强制晶化并与TiN形成共格外延生长结构,多层膜显示出最高硬度达40.5 Gpa的超硬效应;进一步增加AlON的层厚,其生长模式由晶态向非晶态转变,破坏了多层膜的共格外延生长结构,多层膜的硬度随之降低.     

TiAlN/CrAlN纳米结构多层膜的结构与性能

采用射频磁控溅射方法制备了单层TiAlN、CrAlN复合薄膜以及不同调制周期和不同层厚比(lTiAlN/lCrAlN)的TiAlN/CrAlN纳米结构多层膜.薄膜采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、显微硬度仪进行表征.结果表明:TiAlN、CrAlN复合薄膜和TiAlN/CrAlN多层膜均为面心立方结构,呈(111)面择优取向.TiAlN/CrAlN多层膜的择优取向与调制周期和层厚比无关.层厚比为1的TiAlN/CrAlN多层膜的硬度依赖于调制周期,在调制周期为8 nm时,达到最大;固定TiAlN的厚度为4 nm,改变CrAlN层的厚度,在研究范围内,多层膜的硬度随着CrAlN层厚度的增加而增加.探讨了多层膜的致硬机制.TiAlN/CrAlN多层膜抗氧化温度比其组成单层膜高了近200 ℃,并讨论了其抗氧化机制.     

Co/Pd纳米多层膜的制备及其磁性能

以单晶Si(111)为基底,采用双槽法电结晶制备了Co/Pd纳米多层膜,使用电化学石英晶体微天平(EQCM)精确测定沉积过程中Co和Pd膜的质量随沉积时间的变化.通过电位阶跃法探讨了沉积层晶体成核机理,得到Co和Pd电结晶初期均为三维瞬时成核过程. X射线衍射(XRD)研究表明,Co和Pd的结晶与生长显示择优取向,出现了111Co-Pd的合金峰.并用物性测量系统(PPMS)测试了Co/Pd多层膜的磁性能,所得磁滞回线表明:矫顽力随着多层膜磁性层厚度的减小而增大,可达到9.0×104 A/m.     

Ni/Al纳米多层膜的界面扩散与电阻率

采用FS-MS模型研究了Ni/Al纳米多层膜的薄膜电阻率ρ及镜面反射系数P随周期数n、Ni/Al调制比R和调制波长L的演变规律,从而表征了多层膜界面扩散行为的尺度依赖性.结果表明t随着n减小,ρ基本恒定,多层膜界面扩散行为对调制周期数不敏感;而随着薄膜特征尺度R和L的减小,出现ρ异常增加和P明显减小的变化过程. P对薄膜特征尺度的依赖关系反映了多层膜界面扩散行为的尺寸效应,即多层膜界面非对称的互扩散行为只在低调制比与低调制波长尺度下加剧,此时界面互促效应凸现;在高于临界调制波长和调制比的情况下,互促效应弱化,薄膜界面扩散行为不明显.     

DLC基纳米多层膜摩擦学性能的研究进展与展望

类金刚石（DLC）薄膜是一种良好的固体润滑剂,能够有效延长机械零件、工具的使用寿命。DLC基纳米多层薄膜的设计是耐磨薄膜领域的一项研究热点,薄膜中不同组分层具备不同的物理化学性能组合,能从多个角度（如高温、硬度、润滑）进行设计来提升薄膜力学性能、摩擦学性能以及耐腐蚀性能等。综述了DLC多层薄膜的设计目的与研究进展,以金属/DLC基纳米多层膜、金属氮化物/DLC基纳米多层膜、金属硫化物/DLC基纳米多层膜以及其他DLC基纳米多层膜为主,对早期研究成果及现在的研究方向进行了概述。介绍了以上几种DLC基纳米多层膜的现有设计思路（形成纳米晶/非晶复合结构、软/硬交替沉积,诱导转移膜形成,实现非公度接触）。随后对摩擦机理进行了分析总结：1）层与层间形成特殊过渡层,提高了结合力;2）软/硬的多层交替设计,可以抵抗应力松弛和裂纹偏转;3）高接触应力和催化作用下诱导DLC中的sp3向sp2转化,形成高度有序的转移膜,从而实现非公度接触。最后对DLC基纳米多层膜的未来发展进行了展望。     

刀具表面超晶格TiN/AlN纳米多层膜的制备及性能的研究

采用脉冲多弧离子镀技术制备TiN／AlN纳米多层膜，对该薄膜的结构研究表明，随着调制周期的减小，稳定态六方AlN相逐渐转变成亚稳态立方AlN相，形成以TiN／AlN超晶格结构为主的薄膜。并从与标准图谱的对比中可知．TiN／AlN超晶格是AlN在立方TiN簿膜的影响下，在TiN层上以亚稳态相立方结构外延生长所形成。另研究显示，TiN／AlN薄膜具有一定的超硬效应以及在硬质合金刀具上优良的使用性能。     

磁控溅射制备Fe／Ti多层膜的结构和磁性

用磁控溅射技术制备了系列Fe／Ti纳米多层膜，周期调制在2．2-24．0nm；用透射电镜和小角，高角X射线衍射分别研究了样品的结构；用振动样品磁强计和Mossbauer谱研究了样品的磁性，发现铁层厚度在2nm附近时存在铁磁性面心立方γ-Fe，样品的易磁化方向平行于膜面；随调制周期增大，样品的饱和磁化强度增加，矫顽力下降且与结晶状态有关。     

Cu-Au多层膜力学性能的纳米压痕测试

采用纳米压痕仪研究了Cu-Au多层膜的硬度、弹性模量及其在压头下的变形行为。结果表明,随单层膜厚度(h)的减小,Cu-Au多层膜的弹性模量略有减小。Cu-Au多层膜的硬度随单层膜厚度的减小而增加,当h≥50 nm时,硬度随 线性增加;当h<50 nm时,硬度与 偏离了原来的线性关系,且硬度随 的增大而增大的趋势开始弱化。在单层膜厚度为25 nm的Cu-Au多层膜的压痕附近,出现了“挤出”和剪切带。     

Cu/Ni多层膜中交变应力场对可动位错的制约

Cu／Ni多层膜的强化作用来自于多层膜结构中交变应力场对位错运动的约束．该交变应力场主要包括两部分：在共格界面处由于剪切模量差而导致的镜像力,以及多层膜内由于晶格常数差而形成失配位错网的应力．如果位错在膜层内运动的临界应力值小于交变应力场的约束,位错会被限制在单层膜内运动,多层膜被强化;反之,则位错很容易通过界面到达临近的膜层,多层膜开始出现弱化．交变应力场的变化幅值与多层膜的调制波长相关．理论计算结果表明,Cu／Ni多层膜的临界调制波长为1．9nm,但失配位错网的交变应力场在多层膜的调制波长λ=9nm时振幅达到极值．     

电化学法制备组分调制纳米多层膜的研究现状

探讨了应用电化学电沉积法制备具有超晶格结构的纳米组分调制多层膜的原理,对比了恒电流和恒电位两种电化学手段对膜层微观结构的影响,并简述了阳极氧化法制备多层膜陶瓷材料的研究现状;同时介绍了XRD、STM等几种常用于表征纳米多层膜微观结构的现代测试方法,阐述了纳米多层膜的优异性能及应用前景.     

Co/Cu/Co纳米多层膜的铁磁耦合效应

采用洛仑兹电子显微镜研究了磁控溅射沉积制备的Cu(20 nm)/Co/Cu/Co纳米多层膜磁畴结构随铁磁层间耦合效应的变化. Cu中间层厚度较薄时, 由于铁磁层之间的耦合作用, 纳米多层膜为垂直易磁化, 磁畴为磁泡结构, 磁泡的平均直径随Cu中间层厚度的增加而减小, 多层膜矫顽力呈减小趋势. 当Cu中间层厚度大于3 nm时, 铁磁层之间的耦合作用减弱, 纳米多层膜为面内易磁化, 磁泡结构的磁畴消失, 全部为具有波纹状的接近180°畴壁的磁畴结构.     

调制周期对CrAlN/ZrN纳米多层膜韧性的影响

目的研究调制周期对纳米多层膜性能的影响。方法采用磁控溅射方法制备了CrAlN与ZrN的固定厚度比为2.6,不同调制周期(Λ为6,8,10,20 nm)的CrAlN/ZrN纳米多层膜。利用场发射扫描电镜(FESEM)表征薄膜的形貌、结构。用Dektak150型台阶仪测薄膜表面粗糙度。用Agilent Technologies G200纳米压痕仪检测涂层的硬度和弹性模量。用划痕仪测薄膜/基材的结合力,同时,引入抗裂纹扩展系数(CPR)表征纳米多层膜的韧性。结果 CrAlN/ZrN纳米多层膜断面皆为穿晶柱状结构,调制周期为20 nm时,多层膜层与层之间的界面清晰;多层膜表面呈致密的花椰菜状,厚度均约为2μm。调制周期为8 nm时,硬度为20.4 GPa,进一步增大调制周期,硬度下降。调制周期为8 nm的多层膜临界载荷L_(c2)为18 N,CPR值为73.2,L_(c2)与CPR值均高于其他调制周期的多层膜。在临界载荷L_(c2)处,裂纹扩展导致薄膜发生了严重的片状剥落,露出了亮白的热轧钢基底,薄膜失去了保护作用。结论实验表明,在多层膜厚度、调制比不变的条件下,改变调制周期能够改变多层膜的韧性。随着调制周期的增大,韧性呈先上升、后下降的趋势。调制周期为8 nm时,纳米多层膜的硬度最高,韧性最好,综合性能良好。     

NbMoWTa/Ag自润滑纳米多层膜的力学性能及摩擦学行为∗

为提高高熵合金薄膜 NbMoWTa 的耐磨减摩性能,采用磁控溅射技术在 Si 基体上制备具有不同调制波长的 NbMoWTa / Ag 纳米多层膜,利用 XRD、SEM 和 TEM 等对纳米多层膜进行表征,分析其硬度和摩擦学性能。 结果表明不同调制周期结构的纳米多层膜结晶性良好。 多层膜硬度随着单层膜厚度 (100~ 5 nm)的降低而增加(5. 62 ~ 8. 39 GPa),在单层膜厚度减小到 20 nm 时,其塑性变形机制由位错在界面处的堆积机制转变为位错穿越界面运动机制;在尺寸小于 10 nm 时,多层膜的硬度接近于高熵合金 NbMoWTa 单质膜 (10. 93 GPa),这可能由随着单层厚度的降低引起 NbMoWTa 膜与 Ag 膜之间界面由半共格向共格转变所引起。 同时,通过摩擦磨损试验获得纯 NbMoWTa 薄膜的摩擦因数为 0. 49,磨损率为 1. 75×10^-5 mm³N^-1m^-1 ;单层膜厚度为 5 nm 的多层膜的摩擦因数为 0. 23,磨损率为 2. 19×10^-5 mm³N^-1m^-1 。 在 NbMoWTa 中添加 50%的 Ag 制备而成的纳米多层膜有共格强化效应,保证了其高硬度高强度的同时,由多层设计实现了耐磨和自润滑的协同控制。