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《中南大学》 2006年
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纳米Ni-Cr薄膜的制备、表征及其性能研究

晏建武  
【摘要】: 随着现代科技的飞速发展,薄膜技术已经与压力传感器制造技术相结合。我国国防、航空、航天、现代工业生产和自动控制都急需高精度、高稳定性、耐恶劣环境的纳米合金薄膜压力传感器。研制具有稳定的电性能,高电阻值、较小的电阻温度系数(TCR)、高敏感度、能适应苛刻环境的纳米薄膜是薄膜压力传感器已成当务之急。本文利用低能离子束溅射技术成功地制备了性能优良且致密无缺陷的纳米Ni-Cr薄膜;系统研究了纳米Ni-Cr薄膜的制备工艺;表征了纳米Ni-Cr薄膜的形貌、结构、成分以及电学性能,提出了溅射态纳米Ni-Cr薄膜准-非晶宽界面电导机制、层状扩散机制、分层氧化机制,成功地解释了实验结果。主要得到以下结论: 首先,基于薄膜凝固态物理基本原理、合金薄膜溅射知识,同时考虑溅射率、溅射能和结合能的关系,推导出了计算预测Ni-Cr薄膜成分的简便公式,提出了一种计算预测纳米Ni-Cr薄膜成分的设计原则与薄膜制备方法;采用此方法成功地制备了各种成分与厚度的纳米Ni-Cr薄膜。经过正交实验分析,研究了磁控溅射纳米Ni-Cr薄膜溅射沉积行为、薄膜成分与溅射工艺参数的关系;探讨了影响薄膜成分和显微结构以及电阻率、电阻温度系数和应变因子的主要因素;提出了纳米Ni-Cr薄膜的分层氧化模型;优化设计了纳米Ni-Cr薄膜的成分、厚度、电阻温度系数、应变因子及热退火工艺。实验证实:计算预测薄膜成分后通过磁控共溅射法制备所需成分的纳米Ni-Cr薄膜是可行的。 第二,基于金属热力学基本原理,考虑三种元素的相互影响,扩展了Daken公式;首次提出了Ni-Cr薄膜层状梯度扩散模型,应用菲克第二扩散定律,用叠加法原理,推导出一个同时包含三个元素的扩散计算方法,用此方法计算了Ni、Cr元素的扩散系数以及从界面向基体中的扩散距离。计算结果与实验现象吻合良好。 第三,利用低能离子束轰击及原子级联碰撞效应,以动能转换,靶原子搬迁新技术,在双离子束溅射镀膜机上成功地制备了性能优良的纳米Ni-Cr薄膜。系统研究了Ni-Cr薄膜的离子束溅射规律及性能影响因素。提出并推导了Ni-Cr薄膜中Ni、Cr原子面密度与再溅射原子通量比之间的关系式,可以直观的表达出合金薄膜成分与溅射条件及靶成分的变化规律。研究了Ni-Cr薄膜离子束溅射时的选择性溅射现象,探讨了采用合金靶制备所需组分的Ni-Cr薄膜的溅射条件;表征了纳米Ni-Cr薄膜的表面形貌、粗糙度、晶体结构、显微结构、晶胞常数、内应力等随溅射条件、热退火温度的变化。分析了其生长过程,电导机理及应变敏感性。研究结果表明:利用低能离子束溅射技术,可以有效抑制溅射缺陷生成及晶粒尺寸的长大,成功地制备了性能优良、结构致密的纳米Ni-Cr薄膜。发现并提出了纳米Ni-Cr薄膜中几种电导机理转变的薄膜厚度门槛值。提出了F-S模型、F-N模型及M-S模型理论在解释实际纳米Ni-Cr薄膜的电导机理时存在的局限性。发现准-非晶宽界面散射是造成电阻率增加的主要原因,基于实验结果和薄膜物理基本概念,首次提出了溅射态薄膜准-非晶宽界面散射模型,建立了纳米薄膜准-非晶宽界面散射电导理论,从薄膜物理学及热力学和动力学角度很好地解释了纳米Ni-Cr薄膜的电阻随温度及成分的变化机理;研究发现薄膜的结构稳定存在一个临界温度。短程有序的准-非晶原子组态变为晶体结构需要大于其临界温度;经过适当的热退火之后,低能离子束溅射制备的纳米Ni-Cr薄膜结构稳定致密,电阻稳定,具有较低的TCR值及较大的方块电阻,以及较好的厚度和方块电阻的均匀性,完全可以满足压力传感器对电阻敏感材料的电性能要求。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TB383.2

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【引证文献】
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【同被引文献】
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