脉冲激光沉积TiN/AIN纳米多层膜制备及其变形机理研究
多层膜结构材料是目前人工制备强度最高的材料之一，当多层膜单层尺寸接近、甚至低于各种物理机制临界尺寸时，在有限尺度空间下，多层膜结构与性能的尺度效应愈加凸现。人们已经在硬度异常和尺度效应方面开展了大量工作，但对于调制结构如何限制位错运动，小周期下交变应力场形成机制，以及界面耦合带来变形与开裂机理的不同仍需要进一步的解释与验证。
本文采用脉冲激光沉积法制备了TiN/AlN单、多层膜，通过正交实验极差分析确定了脉冲激光沉积中工艺条件对薄膜的硬度、表面形貌及晶体结构的影响关系，并优化沉积工艺。在此基础上采用基于免疫算法的(Immune Radial Basis Function, IRBF)神经网络建立AlN厚度模型，设计出具有可控调制结构的纳米多层膜。同时，提出宏微观相结合的思路，一方面针对纳米多层膜特性表征，利用“Top-Down”原理，通过不断减小多层膜及其组元的几何尺度，探索由此带来的特性变化；另一方面基于“Bottom-Up”原理，利用多尺度分析方法，扩大数值模拟空间，逼近实验适用的几何尺度。从实验和模拟两方面着手，缩小两种方法适用空间的尺度差异，建立跨越宏、细、微观领域的桥梁。本文的主要工作和成果如下：
1．本文提出了免疫径向基函数神经网络法制备可控调制结构纳米多层膜的技术路线。扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)研究显示纳米多层膜的调制周期尺寸均在λ=(10-200)nm范围内，薄膜表面比较均匀。小调制周期时TiN/AlN形成具有强烈织构的超晶格柱状晶多层膜；与此相应，多层膜产生了硬度和弹性模量增高。随着调制周期增加，纳米多层膜形成非晶AlN层和纳米晶TiN层的多层结构，多层膜的硬度和弹性模量逐渐下降。(X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS)结果表明多层膜界面由Tj+4、Tj+3离子组成，N的负二价、三价亚谱结构预示着非当量TiN、AlN的形成。当多层薄膜调制周期在50nm以下时，薄膜硬度明显高于TiN和AlN的混合硬度，可达30Gpa。
2．本文不仅通过改变调制周期的方法研究TiN/AlN纳米多层膜的机械性能，同时也引入了改变调制比的方法研究TiN/AlN纳米多层膜的特性。扫描电镜和原子力显微镜(Atomatic Force Microscopy, AFM)显示调制比在l=(1-4)之间，小调制比下薄膜表面的岛密度小，岛面积过大，分布不均匀，相邻岛之间的起伏较大；X射线衍射(X-ray Diffraction，XRD)结果表明小调制比下AlN相为明显的(002)择优取向，TiN相主要以(200)(220)形式存在。调制比增大后，AlN相的择优取向减弱，TiN相变化并不明显，同时伴随着薄膜晶粒的细化。纳米压痕(Nanoindentation, NI)结果显示薄膜硬度明显提高，EDS分析得出相与相界面错配度增大，同时界面Al含量的增加。
3．低氮分压下薄膜表面颗粒相对较小，颗粒之间的空隙不明显，随着氮分压的升高，薄膜表面颗粒明显粗化，且直径变大高度增高，颗粒之间孔隙变大。XRD研究表明，氮分压的增大可以在一定程度上促进AlN(002)相的形成，但抑制了TiN(111)的形成。XPS研究显示薄膜中N、Al、Ti元素键以多种形式存在，并在界面形成TixAl1-xN结构。纳米硬度测量发现氮分压的增大有利于薄膜的硬度的提高，且薄膜的硬度明显依赖于晶粒尺寸分布和相结构。这说明脉冲激光烧蚀奇异靶制备TiN/AlN过程中，通过控制氮分压来调控激光等离子羽中粒子的运输能量不仅得到了预期的相结构，同时也调控了晶粒的尺寸分布。
4．纳米压痕诱发具有不同尺度和界面结构的多层膜研究发现，尺度对多层膜的微结构和晶粒尺寸有重要的影响。不同的尺度范围多层薄显示不同的变形行为。当多层膜的单层厚度在亚微米尺度时，薄膜体现了其薄膜材料的本征性能，趋向于脆性断裂；当多层膜的单层厚度减小到纳米尺度时，在压痕诱发下薄膜材料产生了倾向于塑性的剪切带形变；从而揭示了单向机械加载下多层膜的变形断裂行为机理，并获得材料的强度与临界断裂应变与多层膜的单层厚度、界面结构间的关系。
脉冲激光沉积;纳米多层膜;制备工艺;变形机理
浙江工业大学
硕士
化工过程机械
柴国钟;宋仁国
2010
中文
TB43;O484
2011-08-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）