《ZrN、WN的调制比例对ZrNWN纳米多层膜结构与机械性能的影响》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ZrN、WN的调制比例对ZrNWN纳米多层膜结构与机械性能的影响（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摹六届奎氧面工垂牟术套诅兰耕2 0 * 牛eJ IZ r N 、W N 的调制比例对Z r N W N 纳米多层膜结构与机械性能的影响杨瑾，王明霞，李德军。( 天津师范大学物理与电子信息学院，天津3 0 0 0 7 4 )捕要：利用射频磁控溅射系统制备了调制周期 等于3 01 1 1 1 1 的一系列具有不同调制比倒的Z r N W N 纳米多层膜x 射线衍射仪、表面轮廓仪及纳米力学测试系统研究表明：Z d q W N 纳米多层膜的界面清晰，调制周期性良好；适当的Z r N 和W N 调制比有利于混合晶相的氮化物生成，所有多层膜中都出现了结晶多元化通过把Z r l q 周期性地插入到W N 层
2、，多层薄膜的整体应力得到缓解，在调制比t z , N ：f w N = 2 ：3 时，纳米多层膜的应力值最小多层膜的硬度和弹性模量基本高于Z x N 和W N 单层材料混合相的值，随着调制比的减小，它们的值均有上升趋势，并在t Z r N ：如N =2 ：3 时分别达到最高值3 4 G P a 和4 2 4 G P a 。多层膜的机械性能改善明显与其调制层结构和多晶结构有着直接的联系关键词：磁控溅射，Z r N W N 多层膜，调制比，硬度1 引言纳米多层膜是指由两种不同材料以纳米级厚度交替生长而形成的薄膜材料，由于存在超模量和超硬度效应，纳米多层膜的力学性能得到了广泛研究。按组成体系，多层膜
3、可分为金属，金属、金属陶瓷和陶瓷陶瓷，其中，陶瓷陶瓷体系因表现出更高的硬度而受到人们的普遍关注。与单组分薄膜相比，纳米多层膜的硬度、断裂韧性、抗氧化性能及耐腐蚀性能等明显较优。目前，多层薄膜的研究已经引起工业界的广泛关注。Z r N 由于具有极好的耐腐蚀、低电阻、优良的机械性能而备受国际涂层刀具市场关注。z r N 涂层工具在有色金属加工中应用趋势正在逐渐扩大。同时，Z r N 在装饰市场也占有重要地位。Z r N 涂层的制备方法，主要有电弧离子镀、直流磁控反应溅射离子镀和离子束辅助气相沉积等”1 。W N 由于具有高硬度、高熔点、优良的化学稳定性等特性，已被研究用作大规模集成电路的扩散阻挡层
4、、高耐磨材料、光学材料及电极等。目前，已通过各种方法女n C V O 、磁控溅射和离子束溅射等方法制备了w N 薄膜0 4 】。但是关于Z r N W N 纳米多层膜的报道却很少。在研究纳米多层膜工艺参数和机械性能的关系时，往往研究在某调制比一定的条件下，调制周期对多层膜硬度和模量的影响”】。而对于在同一调制周期情况下调制比与硬度和模量的关系的研究却不多。本研究选择锆和钨的氮化物作为个体层材料，利用射频磁控溅射技术，在调制周期A = 3 0 m n保持不变的前提下，制备了一系列具有不同调制比的Z r N W N 纳米多层薄膜，通过函和纳米力学测试系统分析了该体系合成中不同调制比对多层膜结构与机
5、械性能的影响。2 实验过程采用超商真空射频磁控溅射系统，在一定调制局期下( A = 3 0n m ) ，通过改变Z r N 、W N 单层厚度比例( 切N ，t w ) 制备了一系列Z r N W N 纳米多层膜( 培排w N = 4 ：1 ；5 ：2 ：3 ：2 ；1 ：l ；2 ：3 ；2 ：5 ；l ：4 ) 。选择纯度为9 9 9 的舀靶和w 靶作为溅射材料，靶基间距保持在7c m 。基底采用单面抛光的单晶( 1 0 0 ) S i 片。制膜前样品用低能A r 离子柬对所有样品至少清洗5 m i n 。镀膜4 硷颂目：天津市应用基础研究重点项目( 0 4 3 8 0 1 0 1 1 )
6、 ，国家自然科学基金( 5 0 4 7 2 0 2 6 ) 通讯作者：李德军T e l ：0 2 2 - 2 3 5 4 0 2 7 8F a x ：0 2 2 - 2 3 5 4 0 2 7 8E - m a i l ：蜮t m l i m a i l t i n u e d u c n第六届圭表面工程学a t e - i t兰州2 0 0 6 年8 月时本底真空高于2 x 1 0 4 P a ，溅射气体为氩气和氮气混合而成。沉积过程的工作气压保持在0 8P a ， 厅和w 靶溅射功率保持1 0 0 和8 0W ，基底偏压保持在4 0v 。在多层膜沉积之前，先沉积约6 0n m的金属舀作为过
7、渡层，以增强薄膜与基底的结合力。在沉积多层膜时，通过利用软件精确控制样品分别停留在两溅射源上的时间来改变多层膜的调制层厚度，并使样品在两溅射源问往返转动，交替沉积反应溅射产物，因此就产生了具有不同调制比例的纳米多层膜。利用表面轮廓仪( X P - 2 ) 对薄膜的厚度和内应力进行测量，测得薄膜厚度约为8 0 0n l n 。利用x 射线衍射仪( X R D ，D M A X2 5 0 0 ) 对样品进行物相及晶体结构分析，并采用小角度X R D 测量纳米多层膜的调制周期，实验采用波长为1 5 4 0 5 6A 的C uK 。( 4 0K V , 4 0m A ) 的x 射线。用美国M T S
8、公司X P 型纳米压痕仪对薄膜进行纳米硬度测试。薄膜硬度的测量原理基于连续刚度法( C S M ) ，将相对较高频率( 如4 5 H z ) 的筒谐力叠加在准静态的加载信号上，测量压头的简谐响应。在整个压入过程中，通过反馈电路控制简谐力产生交变位移，即实现了在一次压痕测试中就可以得到硬度和弹性模量随压入深度的连续变化曲线。3 实验结果与讨论图1 为Z r N W N 多层膜的小角度X R D 衍射谱。衍射谱由多个明锐的峰组成，说明多层膜的界面清晰，调制周期性好。根据B r a g g 公式2 A S i no - - - 1 1 ( 式中A 是调制周期，x 是x 射线的波长， 本实验才用c u
9、 K 溅 = 1 5 4 0 5 6A ) 可以算出样品的调制周期值为3 0 4l l l n ，此结果与设计的调制周期值3 0 n l n 较为符合。图2 为具有不同Z r N 、W N 单层厚度比例( 妇I 忆) 的一系列Z r N W N 纳米多层膜的X R D 图谱。作为比较，在同样沉积条件下制备的单层Z r N 与W N 薄膜的图谱也列于图中。由图可以看出，单质Z r N 薄膜显示出了典型的面心立方结构，Z r N ( 1 1 1 ) 择优取向强烈，W N 则表现出明显的体心立方结构，出现很强的W z N ( 2 0 0 ) 择优取向和弱的w 2 N ( 1 1 1 ) 结构。而在多
10、层膜中，W 2 N ( 1 1 1 )则强于w 2 N ( 2 0 0 ) 峰，且都显示了尖锐的Z r N ( 1 1 1 ) 择优取向。这可能是由于Z r N 层的周期性插入影响了W N 层各取向晶体结构的生长。在W N 层厚较高时，出现了极强的W 2 N ( 1 1 1 ) 峰与W 2 N ( 2 0 0 ) 峰。随着W N 层厚度降低，w 拼( 2 0 0 ) 、W 挪( 1 1 1 ) 与W 2 N ( 3 1 1 ) 峰强迅速减弱。当I Z r N ；t W N = 3 ；1 时，W 2 N ( 2 0 0 ) 峰几乎消失。以上结果可以得出：合适的Z r N 、W N 单层厚图1Z
11、r N W N 纳米多层膜的小角度X R D 谱 F i g 1 L o w 。9 1 eX R Dp a t t e mo f Z 啪W Nm e l t i l a y e r号h 篇罟 皇三量基 | 翔更。i于1 ：4L L L k L 一) ：1Jj k 一 2 03 04 05 06 07 08 0 2 0 厅)圉2Z I N W N 纳米多层膜的大角度X R D 谱F i g 2 H i g ha n # X R Dp a t t e r n so f Z r N W Nm u l t i l a y e a s度比例有利于混合晶相的氮化物生成，这可能有利于Z r N W N 多层
12、膜力学性能的提高。内应力是影响保护膜在工业应用中的一个关键因素。薄膜的残余应力是在其生长过程中产生摹卉届奎啊表面工租学术套诅兰州2 0 0 6 年8 月的。Z r N W N 纳米多层膜的残余应力与调制比妇：f w N 的关系见图3 。z r N 与W N 单质薄膜的压应力者掰良高，分别为4 4 G P a 和4 4 5 G P a 。在t Z r N ：蜥N 2 ：5 时，Z r N W N 多层膜的应力值都低于两种个体材料混合相的值。说明通过Z r N 周期性的插入W N 层，抑制了W N 中晶粒的不断长大，释放了由此聚集的应力，使多层膜体系更适合于实际需要。实验发现，用我们采用的实验参数
13、 无法使W N 个体薄膜厚度提高到l 岬，其压应力很大。当薄膜厚度增加到定值时整个薄膜开始片状脱落，而多层薄膜由于拥有较低的压应力很容易就可以沉积到1p a n 。图4 是Z t N W N 纳米多层膜的连续刚度法测量的硬度随压入深度的变化曲线。多层膜的最高纳米硬度值出现7 0 8 0 呲处。在薄膜厚度的1 0 一1 5 ，将基底对薄膜硬度的影响降到了最低。图5为Z r N W N 多层膜的纳米硬度和弹性模量值随调制比妇4 ：t w N 变化的曲线，每一值均代表样品1 5个不同测试点的平均值。图中同时示出了Z r N 和W N 单质薄膜的硬度和弹性模量，Z r N 的硬度约2 9G P a ，
14、弹性模量为2 7 6G P a ；W N 的硬度约为：N图3Z t N W N 纳米多层膜的内应力随调制比 妇l ：r w N 变化的曲线F i g 3 T h c i n t e r n a ls t r e s s o f Z r N W N m u l t i l a y e r s v s I Z r N ：t W ND i s p l a c e m e n ti n t oS u r f a c e n m图4Z r N W N 纳米多层膜的硬度随压人深度变化的曲线F i g 4 H a r d n e s so f Z r N W Nm u l t i l a y c r SV
15、S d i s p l a c e m e n t i I l t os u r f a c e3 1 G P a ，弹性模量为3 7 4 G P a 。从图中可以明显看出大部分Z r N W N 多层膜的硬度和弹性模量值都高于两种个体材料混合相的值。随着调制比t Z r N ：t x w 的减小，多层膜的硬度和弹性模量有上升趋势，并在t Z r N ：t w N = 2 ：3 时分别达到最高值。与X R D 图谱结合分析，调制周期A = 3 0n m保持不变，调整Z r N 、W N 单层厚度比例可以控制，混合晶相的氮化物生成，诱使多元化的Z r N 与w 2 N的混合晶相产生。W z N
16、晶相具有较高的硬度和弹性模量，这可能是导致：t W N = 2 ：3 条件下制得的多层膜出现硬度提高的原因。另一方面，Z r N与W 2 N 有不同的结构，它们交替的界面抑制了断层扩散与柱状晶的越层生长，这也对硬度的提高起图5Z r N W N 纳米多层膜的硬度与弹性模量随 妇4 ：t V C N 变化的曲线 F i g 5 H d n e s sa n d E l a s t i c M o d u l u s o f Z r N W Nm u l t i l a y c r sV S 妇：f w N目山望聃譬口皇目置do-，s兰_g-耋镕IIIpo=o口I枷伽蕈；垂|差毫撕枷伽第六届垒目表面工程学术套诅兰州2 0 0 6 年8 月到了重要的作用。另方面，硬度的提高也与Z r N 与w N 单质膜的弹性模量相差较多有关，因为1 9 7 0年K o e
