AlN/CN_x复合薄膜的PLD制备及其机械性能的研究

【摘要】：本文通过采用脉冲激光沉积(PLD)方法在单晶Si衬底上制备AlN薄膜,以薄膜的本征硬度作为参考指标,通过正交实验来确定制备AlN薄膜的基本工艺参数,并考察沉积气压、衬底温度、激光通量、靶衬间距等工艺参数对AlN薄膜表面形貌,微观结构以及机械性能的影响；同时在此基础上制备CNx薄膜；最后初步探索利用PLD技术制备AIN/CKx复合薄膜的可能性,并对复合薄膜的组织结构和机械性能进行表征。A1N薄膜的沉积速率随着沉积气压、靶衬间距的减小或激光通量的增大而提高。当衬底温度较低时,所制备的薄膜均非晶状态,较高的温度有利于薄膜的结晶。AlN薄膜具有较高的本征硬度值(约为1600～1900 HV),薄膜的摩擦系数较大(约为0.58～0.85),但是薄膜具有良好的耐磨性能；薄膜与Si基底之间的结合性能良好,均在20N以上。在优化出的AlN薄膜制备工艺参数基础上制备的CNx薄膜为非晶状态。CNx薄膜的力学性能良好,具有较高的硬度,平均摩擦系数为0.186,耐磨性能良好。采用扇形氮化铝片和石墨片构成的组合靶,在共沉积条件下制备出了AIN/C Nx复合薄膜。所制备的复合薄膜全部为非晶结构。通过XPS分析薄膜中主要含有sp2C-C键,Sp3C-C键,N-sp2C键,N-sp3C键,C-O键,Al-N和A1-O等键。随着组合靶中石墨比例增大,薄膜中的C含量增加,薄膜表面趋向于平滑。复合薄膜的沉积速率介于AlN和CNx薄膜之间,并且随着组合靶中石墨比例增大而降低。薄膜的硬度值和附着力均低于单一的AlN和CM薄膜。AlN/CNx复合薄膜的摩擦系数波动幅度很大,经过15 min的摩擦磨损试验,所制备的复合薄膜均被磨穿,薄膜的耐磨性能较差。