磁控濺射氧化鋁薄膜的低溫晶化及銅(鉬)-氧化鋁納米多層膜的性能研究.pdf

1、氧化鋁具有優(yōu)異的力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等性能,是一種具有廣泛應(yīng)用的陶瓷材料。一方面,利用氧化鋁的高硬度和光學(xué)透過性,可以用作紅外窗口的透明保護(hù)膜。但目前一般工藝條件下制得的氧化鋁薄膜呈現(xiàn)非晶態(tài),無法充分發(fā)揮其機(jī)械保護(hù)作用,而高質(zhì)量晶態(tài)氧化鋁薄膜的制備方法,存在著沉積溫度高,工藝復(fù)雜以及成本昂貴等問題,嚴(yán)重限制了其作為中紅外透明保護(hù)材料的應(yīng)用范圍,如何在較低的溫度下使用比較簡單的工藝方法制得晶態(tài)氧化鋁薄膜是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。另一方面,將氧化鋁

2、作為一種單層材料制作成金屬/氧化鋁納米多層膜時(shí),多層膜可以具有很低的熱導(dǎo)率,而且具有較好的力學(xué)性能,是一類結(jié)構(gòu)功能一體化的薄膜材料,在熱障涂層領(lǐng)域和熱電薄膜材料領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前,對金屬/氧化鋁納米多層膜界面特性、力學(xué)性能優(yōu)化機(jī)理和導(dǎo)熱機(jī)制的認(rèn)識(shí)還存在分歧和不足,需要進(jìn)一步工作的開展。
　　針對上述問題,本文采用射頻反應(yīng)磁控濺射制備了氧化鋁薄膜,并系統(tǒng)地研究了氧化鋁薄膜生長工藝條件與其結(jié)構(gòu)、力學(xué)和光學(xué)等性能之間的內(nèi)在聯(lián)系

3、;通過設(shè)計(jì)在薄膜制備過程間歇利用反濺技術(shù)進(jìn)行輔助,實(shí)現(xiàn)了較低溫度下制備高質(zhì)量的晶態(tài)氧化鋁薄膜。另一方面,本文采用磁控濺射方法制備了銅(鉬)/氧化鋁納米多層膜,并研究了多層厚度周期對多層膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)和熱學(xué)等性能的影響機(jī)制。
　　XRD研究表明采用磁控濺射法制備的氧化鋁薄膜呈現(xiàn)非晶態(tài),且隨著襯底溫度升高,氧化鋁薄膜未實(shí)現(xiàn)晶化,薄膜硬度基本保持不變,維持在13.6GPa。此外,襯底偏壓對氧化鋁薄膜的晶態(tài)影響同樣不明顯。
　　在薄膜

4、制備過程間歇利用反濺技術(shù)進(jìn)行輔助,氧化鋁薄膜出現(xiàn)較明顯的晶化現(xiàn)象。納米硬度分析表明,采用反濺模式磁控濺射法制備的氧化鋁薄膜,隨著沉積溫度由室溫增加到600℃,氧化鋁薄膜的硬度先增大后減小,在450℃時(shí)達(dá)到最高值15.7GPa。這是由于隨著沉積溫度提高到600℃時(shí),反濺過程中離子撞擊所照成的損傷會(huì)占據(jù)主導(dǎo)作用,使得氧化鋁的晶態(tài)形核變得困難,從而導(dǎo)致薄膜硬度下降。與非晶態(tài)氧化鋁薄膜相比,采用反濺模式制備的晶態(tài)氧化鋁薄膜折射率得到了提高。

5、r>　　通過調(diào)整沉積時(shí)長,制備了一系列厚度周期不同的銅/氧化鋁納米多層膜和鉬/氧化鋁納米多層膜。掠入射X射線反射分析表明,多層膜中銅單層、鉬單層和氧化鋁單層的密度比其相應(yīng)體材料的密度稍小。銅(鉬)/氧化鋁界面的界面粗糙度和氧化鋁/銅(鉬)界面的界面粗糙度均呈現(xiàn)隨距襯底距離的增大而增大的趨勢,后者大于前者。
　　隨著銅(鉬)/氧化鋁多層膜厚度周期的逐漸變小,多層膜的納米硬度逐漸增大,多層膜厚度周期減小到20~100nm臨界周期時(shí),多

6、層膜的納米硬度開始減小。該臨界厚度周期的存在表明納米多層膜在壓頭下變形模式可能存在由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)到由晶粒間滑動(dòng)主導(dǎo)的轉(zhuǎn)變。
　　銅(鉬)/氧化鋁多層膜的劃擦響應(yīng)行為與氧化鋁薄膜的劃擦響應(yīng)行為有顯著不同。氧化鋁薄膜的摩擦系數(shù)曲線光滑連續(xù),而銅(鉬)/氧化鋁多層膜的摩擦系數(shù)以較快的速率增加到一定值后,摩擦系數(shù)值發(fā)生震蕩。在劃擦初期壓頭縱向載荷較小時(shí),銅(鉬)/氧化鋁多層膜的耐劃擦性能優(yōu)于氧化鋁薄膜。表明多層膜中金屬膜層的彈性變形和局部

7、塑性變形改變了壓頭處的接觸邊界條件,導(dǎo)致摩擦系數(shù)較大,而氧化鋁薄膜可容納的應(yīng)變量較小,對壓頭處接觸邊界條件的改變不如金屬/氧化鋁多層膜顯著,因此摩擦系數(shù)較小。
　　隨著層界面密度的增加,銅(鉬)/氧化鋁多層膜的熱導(dǎo)率逐漸減小。當(dāng)銅/氧化鋁多層膜和鉬/氧化鋁多層膜的層界面密度增大到約0.2nm-1時(shí),相應(yīng)多層膜的熱導(dǎo)率分別減小到約1.6W·m1·K1和1.8W·m1·K1。相同層界面密度的鉬/氧化鋁多層膜的熱導(dǎo)率比銅/氧化鋁多層膜略

8、大,這可能是由于鉬的電導(dǎo)率比銅的電導(dǎo)率小,鉬/氧化鋁多層膜在界面處散射掉的電子攜帶的熱量較小。
　　銅/氧化鋁多層膜在從室溫到500°C的溫度下比較穩(wěn)定;在600°C~800°C之間,銅單層和氧化鋁單層反應(yīng)生成CuAlO2晶態(tài)相,但是單質(zhì)銅相依然存在;在900°C~1000°C之間,單質(zhì)銅相消失,銅/氧化鋁多層膜完全破壞。鉬/氧化鋁多層膜在從室溫到600°C的溫度下比較穩(wěn)定;在700°C~800°C之間,鉬單層和氧化鋁單層反應(yīng)生成

9、Al2(MoO4)3晶態(tài)相;在900°C~1000°C之間,多層膜中生成Al2(MoO4)3和MoSi2相。從室溫到1000°C,鉬/氧化鋁多層膜中單質(zhì)鉬相始終存在。與銅/氧化鋁多層膜相比,鉬/氧化鋁多層膜的熱穩(wěn)定性較好,這是因?yàn)殂f的熔點(diǎn)比銅的熔點(diǎn)高,在相同溫度下銅的擴(kuò)散能力更強(qiáng),化學(xué)性質(zhì)更活潑。
　　本文通過設(shè)計(jì)反濺輔助技術(shù),在較低溫度下制備了高質(zhì)量的晶態(tài)氧化鋁薄膜,為低溫沉積高質(zhì)量晶態(tài)氧化鋁薄膜提供了一種新的途徑,從而能有效地