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TiN/ZrN纳米多层膜的生长行为及力学性能研究

王娟  
【摘要】: 纳米多层膜具有深刻的物理内涵和一些单层膜不具备的特殊性能,引起了人们的极大关注。本文采用了磁控溅射技术,从探讨不同沉积率下ZrN单层膜的生长规律入手,进而分别在ZrN单层膜生长呈(100)织构和(111)织构的沉积条件下,制备了TiN/ZrN纳米多层膜,其中TiN单层膜生长保持(100)织构,分析了TiN/ZrN纳米多层膜的结构及其力学性能,探讨了纳米多层膜的硬化机制。此外,我们还采用TaN界面层的方面,尝试改善TiN/ZrN多层膜的调制均匀性和生长相干性。 研究结果表明:对于ZrN单层膜生长,随着溅射功率从80W增加到120W,薄膜的织构取向可以从[100]逐渐转变为[111],且晶粒大小随功率的增加而逐渐减小。单层膜的硬度与晶粒尺寸之间很好地满足Hell-Patch关系。在ZrN溅射功率为80和120W的条件下制备的TiN/ZrN多层膜,有着相近的调制周期和成分比例,但多层膜的相干特征不同。多层膜中TiN层和ZrN层的生长行为与界面匹配和单层膜的生长行为有关。不同沉积工艺制备的TiN/ZrN多层膜的硬度均高于TiN或ZrN单层膜,并随着调制周期的增加而逐渐降低。多层膜的弹性模量介于TiN和ZrN单层膜之间,且随调制周期的变化完全一致。联合晶粒尺寸引起的Hell-patch效应和协调应变效应可以定性地解释TiN/ZrN多层膜的实验结果。而定量计算结果显示,复合强化机制不太可能是TiN/ZrN纳米多层膜的硬化机制。在TiN/ZrN多层膜中引入晶格常数居中的TaN界面层,可以改善多层膜周期的不均匀性,但也可能导致多层膜相干性变差。


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