兩相納米結(jié)構(gòu)薄膜中的模板效應(yīng)與超硬效應(yīng).pdf

1、硬質(zhì)薄膜是一類具有廣泛用途的表面涂層材料。近年來的研究發(fā)現(xiàn),陶瓷納米多層膜和納米復(fù)合膜均具有硬度異常升高的超硬效應(yīng)。這些兩相納米結(jié)構(gòu)薄膜因材料組合的多樣性而帶來的性能的可裁剪性,展示出廣闊的應(yīng)用前景,而它們通過納米尺度微結(jié)構(gòu),而不是通過傳統(tǒng)的原子間強(qiáng)鍵能獲得高硬度的強(qiáng)化機(jī)制,更具理論研究價值。納米多層膜和納米復(fù)合膜已成為近年來超硬材料和薄膜材料的研究熱點(diǎn)。
　　 本論文從二維結(jié)構(gòu)納米多層膜和三維結(jié)構(gòu)納米復(fù)合膜兩方面研究了兩相納米

2、結(jié)構(gòu)薄膜產(chǎn)生超硬效應(yīng)的微結(jié)構(gòu)本質(zhì)和強(qiáng)化因?yàn)?。在納米多層膜方面,論文設(shè)計(jì)、制備了TiN與非晶SiC、AlON以及AlN與非晶Si3N4組成的納米多層膜,研究了立方結(jié)構(gòu)TiN和六方結(jié)構(gòu)AlN晶體對各非晶層晶體化的模板效應(yīng),以及非晶層生長模式的轉(zhuǎn)變對納米多層膜微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響。在納米復(fù)合膜方面,論文揭示了TiN/Si3N4納米復(fù)合膜的微結(jié)構(gòu)特征,并進(jìn)一步采用二維結(jié)構(gòu)TiN/Si3N4納米多層膜實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法研究了非晶Si3N4在TiN晶

3、體模板層上的晶化現(xiàn)象及其結(jié)構(gòu)變化對薄膜微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。
　　 論文得出的主要結(jié)論如下:
　　 1.立方結(jié)構(gòu)的納米晶TiN和非晶SiC組成的多層膜顯示了一種晶體生長的互促效應(yīng):由于B1-NaCl結(jié)構(gòu)的TiN晶體層的模板作用,SiC層在厚度小于0.6 nm時晶化為同樣結(jié)構(gòu)的晶體并與TiN共格外延生長；SiC晶化后對TiN層的晶體生長亦有促進(jìn)作用,使TiN層晶體生長的完整性顯著提高,TiN/SiC多層膜因而形成強(qiáng)烈(1

4、11)擇優(yōu)取向的柱狀晶,并產(chǎn)生硬度異常升高的超硬效應(yīng),最高硬度值可達(dá)60.6 GPa。SiC層厚增大到0.8 nm后將逐步由晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)榉蔷ЫY(jié)構(gòu),阻礙了納米多層膜的共格外延生長,多層膜的硬度隨之降低。在SiC晶化并與TiN形成共格外延生長結(jié)構(gòu)的納米多層膜中,TiN厚度的改變對多層膜的力學(xué)性能影響不甚明顯。
　　 2.采用在Ar,N2混合氣氛中濺射金屬Ti靶和化合物Al2O3靶的反應(yīng)濺射方法可以制備TiN/AlON納米多層膜。在T

5、iN/AlON納米多層膜中,由于TiN晶體層的模板作用,原為非晶態(tài)的AlON層在厚度小于約0.6 nm時被強(qiáng)制晶化,并與TiN層形成共格外延生長結(jié)構(gòu),多層膜獲得硬度顯著升高的超硬效應(yīng),最高硬度達(dá)到40.8 GPa。AlON層隨厚度的增加又轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑蔷B(tài)生長,多層膜的共格外延生長結(jié)構(gòu)受到破壞,其硬度也相應(yīng)降低。由于反應(yīng)濺射TiN有很高的沉積速率,這種采用反應(yīng)濺射制備高硬度納米多層膜的方法為超硬多層膜的工業(yè)化生產(chǎn)提供了新的思路。
　　

6、 3.在AlN/Si3N4納米多層膜中,非晶態(tài)的Si3N4當(dāng)其層厚小于0.8 nm時在六方結(jié)構(gòu)AlN晶體層的模板作用下晶化為六方結(jié)構(gòu)的贗晶體,并與AlN形成以(0001)為擇優(yōu)取向的共格外延生長結(jié)構(gòu),多層膜產(chǎn)生硬度異常升高的超硬效應(yīng),最高硬度達(dá)32.8 GPa。Si3N4隨層厚的增加又轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑蔷B(tài)生長,多層膜的共格外延生長結(jié)構(gòu)遭到破壞,其硬度也隨之降低。這一六方結(jié)構(gòu)的AlN也具有使非晶材料晶化的現(xiàn)象為納米多層膜晶體生長模板效應(yīng)的普遍

7、性提供了新的例證。
　　 4.對高硬度TiN/Si3N4納米復(fù)合膜的微結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),復(fù)合膜中的TiN呈直徑約10 nm,高度約數(shù)百納米的柱狀晶,Si3N4界面相的厚度約為0.5-0.7nm,呈現(xiàn)晶體態(tài),并與相鄰的TiN晶粒形成共格外延生長結(jié)構(gòu),復(fù)合膜具有若干TiN納米柱狀晶通過Si3N4界面相共格相連而形成集束柱狀晶的微結(jié)構(gòu)特征。
　　 5.二維結(jié)構(gòu)TiN/Si3N4納米多層膜的實(shí)驗(yàn)?zāi)M表明,由于TiN晶體層的模板作用,

8、非晶的Si3N4在厚度小于0.7 nm時被晶化,并與相鄰的TiN晶體形成共格外延生長結(jié)構(gòu),多層膜獲得38.5 GPa的高硬度,Si3N4隨厚度的進(jìn)一步增加又轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài),多層膜的共格生長結(jié)構(gòu)遭到破壞,其硬度也隨之迅速降低。
　　 6.通過對TiN/Si3N4納米復(fù)合膜和多層膜微結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性能的對比可以發(fā)現(xiàn),兩相納米結(jié)構(gòu)超硬薄膜中高硬度的獲得都與非晶相晶體化并與模板相形成共格界面結(jié)構(gòu)有關(guān),而它們硬度的迅速降低也都與非晶界面相隨