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题名	磁过滤阴极弧等离子体法氮化钛薄膜的制备及其应用性能的研究
作者	张玉娟
学位类别	理学博士
答辩日期	2004-12-07
授予单位	中国科学院研究生院
导师	薛群基 ; 阎鹏勋
关键词	磁过滤阴极弧 等离子体 高质量薄膜 机械性能 电化学腐蚀性能 应用 机理 TiN Filtered cathode arc plasma High quality thin films Mechanical properties Electrochemistry corrosion Application Mechanism
学位专业	物理化学
中文摘要	利用自行设计、组装的磁过滤阴极弧等离子体（fittered cathodic arc plasma，FCAP）设备在单晶硅基底和不锈钢基底上沉积了氮化钛薄膜，并系统地研究了影响沉积薄膜的各种因素和相关性能。通过控制反应气体中氨气和氮气的比例，基底偏压的大小和形式来研究沉积离子能量和密度对制备的TiN薄膜结构的影响。通过对薄膜力学性能、抗划伤性能、摩擦磨损性能和电化学腐蚀性能的分析，讨论了FCAP法所制备的TiN薄膜的结构与性能之间的关系。同时与相似条件下用多弧离子镀（multi arc ion plating，MAIP）法制备的氮化钛薄膜的结构、力学性能、摩擦磨损和电化学腐蚀性能进行了比较，并对它们进行了深入的研究和探讨，获得的主要研究结论如下： 1．利用自行设计组装的磁过滤阴极弧设备，在室温下制备出了高质量的氮化钛薄膜。发 现用周期性偏压比用持续偏压更有利于沉积性能良好的薄膜。 2．从微观土看（2×2 μm的范围内）FCAP和MAIP法沉积的TiN薄膜表面都是由大小均一的颗粒组成，增大沉积离子的能量和密度都会导致颗粒粒径的减小，同时离子轰击作用的增强又会使表面颗粒迁移聚积，使薄膜粗糙度增加。从宏观上看，MAIP薄膜布满粒径在微米级的大颗粒和孔洞，而FCAP薄膜表面非常平滑干净，无大颗粒。两种方法都存在增大偏压能够使孔洞减少的规律。 3．FCAP法沉积的TiN薄膜有非常明显的择优取向现象，而且随离子轰击作用的增强，薄膜从（200）面择优取向转向（111）面，最终转变为（220）面择优取向。用能量最小化原理可以较好地解释薄膜择优取向的变化规律。沉积离子能量和密度对择优取向的影响具有等效作用，但是当沉积离子能量较高时，离子密度的影响变小。另外基底的不同也会影响薄膜的择优取向，其实质是导电性较好的基底更有利于离子的连续沉积。MAIP薄膜无明显择优取向，原因是由于薄膜结构疏松粗糙，产生柱状晶造成的。 4．FCAP薄膜中的晶粒大小、均匀性以及薄膜晶体结构的完整性都强烈地受沉积离子密度和能量的影响。发现低的离子密度不利于薄膜完整晶体结构的形成，并有非晶成分存在。此时增大离子能量，会有助于提高薄膜的结晶性，同时促进薄膜中晶粒的生长，而且可以使薄膜晶粒变得更加均匀。而在较高沉积离子密度的情况下，薄膜的结晶性较好，增大沉积离子能量会使晶粒粒径变小，进一步使晶粒变得均匀，并促使晶粒的排布更趋向于有序性。 5．FCAP法沉积的氮化钛薄膜的力学性能深受沉积离子能量的影响。离子的注入作用促使应力增加，而进一步增强沉积离子的能量又可导致应力的释放。薄膜硬度主要受薄膜微观晶体结构的影响，致密、小晶粒和高的缺陷密度是得到高硬度的关键。纳米划痕测量结果表明，FCAP法制备的TiN薄膜非常致密、均匀，而MAIP薄膜异常粗糙无临界载荷出现。两种方法沉积的TiN薄膜的摩擦学性能出现较大差别。FCAP法沉积的TiN薄膜无论在低载荷与钢球对磨，还是在较高载荷与氮化硅球对磨，都表现出比MAIP法沉积的TiN薄膜低得多的磨损率。FCAP沉积的TiN薄膜所表现出的这些优异的力学性能，都应归结于FCAP沉积技术排除了中性粒子和大颗粒，使沉积的TiN薄膜更加致密、均匀，进而大大提高了薄膜的微观力学性能和耐磨性。 6．FCAP法所制的TiN薄膜致密，少孔洞，较小的厚度就可以具有相当好的抗腐蚀性能，而且可以较好地避免薄膜的大片崩落现象发生。
学科主题	薄膜材料
公开日期	2014-04-14
内容类型	学位论文
源URL	[http://210.77.64.217/handle/362003/5492]
专题	兰州化学物理研究所_固体润滑国家重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	张玉娟. 磁过滤阴极弧等离子体法氮化钛薄膜的制备及其应用性能的研究[D]. 中国科学院研究生院. 2004.

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