超硬含氧化物納米多層膜的獲得及研究

1、上海交通大學博士學位論文超硬含氧化物納米多層膜的獲得及研究姓名：魏侖申請學位級別：博士專業(yè)：材料加工工程指導教師：李建國;李戈揚20050201上海交通大學博士學位論文 摘 要ii路線 以及這一技術(shù)路線在多個材料體系中獲得成功應用的研究結(jié)果 國內(nèi)外尚無報道本論文的主要研究結(jié)果如下1 室溫沉積的 TiB2 薄膜呈非晶態(tài) 當它與 fcc- TiN 晶體層交替沉積制備成納米多層膜時 隨著 TiB2 調(diào)制層厚度的不同 多層膜的生長結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變

2、化 當層厚小于 2.9nm 時 TiB2 調(diào)制層晶化為密排六方結(jié)構(gòu)并與面心立方的 TiN 層形成了異構(gòu)共格外延生長 其共格關(guān)系為{ } { } 2 0001 // 111 TiB TiN 2 0 2 11 // 110 TiB TiN >< 由于存在晶格失配度 共格生長的多層膜中形成了拉 壓交變應力場 這種交變應力場的存在以及 fcc- TiN 和 hcp- TiB2 滑移系的不同 導致多層膜產(chǎn)生硬度和彈性模量升高的超硬效應

3、 最高硬度和彈性模量分別達到 46.9GPa 和 465GPa 隨著 TiB2 厚度的增加 TiB2 層逐漸形成了非晶態(tài) 破壞了納米多層膜的共格外延生長 形成非晶 TiN和非晶 TiB2 交替的調(diào)制結(jié)構(gòu) 多層膜的硬度和彈性模量明顯降低2 對 TiN/SiO 2 納米多層膜的研究發(fā)現(xiàn) 盡管室溫濺射條件下 TiN 和 SiO 2 單層膜分別以納米晶和非晶態(tài)存在 但是當兩者交替沉積制備成多層膜時 由于受到 TiN層(111)生長面的模板作用

4、SiO 2 層在厚度小于 1.0nm 時晶化并和 TiN 層形成了共格外延生長 與之相應 多層膜的硬度和彈性模量異常增高 最高分別達到 44.5 和473GPa 分析認為 SiO 2 層的晶化以及由此形成的共格界面是 TiN/SiO 2 納米多層膜硬度提高的主要微結(jié)構(gòu)因素 繼續(xù)增加 SiO2 層厚度 SiO 2 層轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷ЫY(jié)構(gòu)阻斷了納米多層膜的共格外延生長 多層膜的硬度和彈性模量亦隨之急劇減小 另一方面 TiN 層厚度的改變也能在一定

5、程度上影響納米多層膜的生長結(jié)構(gòu)和力學性能 但相對較小在 300°C 的沉積溫度下 TiN 單層膜的結(jié)晶完整性較好 而 SiO 2 單層膜仍以非晶態(tài)存在 由于不能有效提高 SiO2 晶化層的厚度 所以該溫度下制備的 TiN/SiO 2納米多層膜的生長結(jié)構(gòu)和室溫相比變化不大 沉積溫度的提高導致多層膜產(chǎn)生界面混合 在一定程度上削弱了多層膜硬度的增加3研究發(fā)現(xiàn) 350°C 溫度下沉積的 TiB2 單層膜可以完全晶化為 hcp