脉冲偏压对离子束辅助电弧离子镀TiN/Cu纳米复合膜结构及硬度的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)沈阳理工大学理学院 作者:李凤岐

  采用离子束辅助电弧离子镀技术在高速钢基体上制备TiN/Cu 纳米复合薄膜,考察了基体脉冲负偏压对薄膜成分、结构及硬度的影响。用X 射线光电子谱、X 射线衍射、扫描电镜、透射电镜和纳米压痕等方法分别测试了薄膜的化学成分、结构、表面形貌、硬度以及弹性模量。结果表明,在氮离子束的轰击作用下,随着脉冲偏压幅值从-100 V 增加到-900 V 时,薄膜中Cu 含量先增加而后略有降低,在1.05% ~ 2.50%( 原子比) 范围内变化。同时,脉冲偏压对薄膜的结构也有明显影响,在-100 V出现TiN( 111) 择优取向,当基体偏压增加到-300 V 以上时,择优取向改变为TiN( 220) 择优。薄膜的Cu2p 峰均对应纯金属Cu,薄膜的晶粒尺寸约在11 ~17 nm 范围内变化。硬度和弹性模量随着偏压幅值增加而增大,当偏压为-900 V 时,薄膜硬度和弹性模量达到最大值,分别为29. 92 GPa, 476 GPa,对应的铜含量为1. 91%。

  自1994 年纳米复合薄膜的概念和设计思想被Veprek 和Reiprich首次提出以来,纳米复合膜以其独特的物理和机械性能及广阔的应用前景引起了科研工作者的广泛关注。经过不断发展,纳米复合膜按照其构成可分为两类: 一类是由Veprek 等提出的nc-MeN/硬相纳米复合膜,如nc-TiN/a-Si3N4和nc-TiN/a-TiB2等;另一类是由Musil 等提出的nc-MeN/软相纳米复合膜,即在过渡族金属纳米晶氮化物中添加少量的软质金属合成的纳米复合膜,如nc-TiN/a-Ni 和nc-ZrN/a-Cu,其中nc-和a-分别表示纳米晶和非晶。

  作为nc-MeN/软相纳米复合膜的典型代表TiN/Cu薄膜,以其优异的超硬性能引起了科研工作者的关注。目前国内外研究者多采用物理气相沉积方法如直流磁控溅射、双脉冲磁控溅射、低能离子束辐照磁控溅射、脉冲偏压电弧离子镀等方法制备TiN/Cu薄膜,且薄膜硬度多在25 ~ 40 GPa 范围内。与其它制备方法相比,离子束辅助沉积是在气相沉积薄膜的同时,利用载能粒子轰击正在生长的薄膜的一种物理气相沉积技术。它具有可独立调节成膜的参数、制备工艺可靠和稳定的特点,特别是由于高能离子束能给沉积系统带来足够的能量,薄膜可以在相对较低的温度下能形成良好的薄膜结构,且离子束的能量能转移到薄膜的表面促进吸附原子的表面迁移率增加,从而改变薄膜的微观结构和质量,形成致密的薄膜。但采用离子束辅助电弧离子镀技术沉积纳米复合薄膜研究不多,本文采用离子束辅助电弧离子镀技术在高速钢( HSS) 基体上沉积TiN/Cu 纳米复合膜,研究基体脉冲偏压幅值对TiN/Cu 纳米复合膜的成分、结构及硬度的影响。

1、实验方法

  薄膜在俄罗斯产的TRIO 自动化真空等离子装置上制备,该装置详见文献。该装置配置两个阴极真空电弧源,与文献不同的是在装置上方配置一个弧光放电离子源。基体材料采用M2 高速钢,经过线切割切成尺寸大小为10 mm × 10 mm × 20mm 的方块,然后机械研磨抛光。真空电弧靶材为TiCu 合金靶( Ti88%,Cu12% ( 原子比) ) ,基体固定在镀膜室底部。镀膜前,试样在丙酮中用超声波清洗10 min,热风吹干后置于TRIO 等离子体真空处理装置中。镀膜室先抽真空度至6.0 × 10-3 Pa,然后通入氩气pAr = 0.4 Pa 进行溅射清洗5 min,后通入氮气,氮气气压为0.4 Pa,开启钛铜合金靶弧源,通过电弧放电产生金属等离子体流,电弧电流为80 A,同时开启弧光放电离子源电源,离子源通过气体弧光放电产生氮离子,其放电电流固定为20 A,阴极电弧靶产生的等离子体与弧光放电离子源产生的氮离子同时轰击基体表面。基体脉冲偏压辅值设定为-100,-300,-600 及-900 V,占空比均为30%,频率为40 kHz。薄膜沉积温度为370 ~ 430℃,沉积时间为60 min。用X 射线光电子能谱(XPS) 仪检测膜的成分和化学状态,溅射电压2 kV,溅射速度0.2 nm/s;用扫描电镜( SEM) 观测试样表面形貌; 采用D/max2400型X-ray 衍射( XRD) 仪分析结构,采用Cu 靶的Kα射线; 透射电子显微镜( TEM) 观查膜的截面结构;采用纳米压痕仪测量硬度和弹性模量,最大载荷为3mN,压入深度控制在低于膜厚的10%; 用Scherrer方程计算平均晶粒尺寸

脉冲偏压对离子束辅助电弧离子镀TiN/Cu纳米复合膜结构及硬度的影响

  式中,D 为平均晶粒尺寸;λ 为X 射线波长,其值为0.154156 nm;θ 为布拉格衍射角;B为膜衍射峰的半高宽(FWHM) 。

3、结论

  (1) 采用离子束辅助电弧离子镀方法通过改变脉冲偏压幅值成功地制备了TiN/Cu纳米复合膜,脉冲偏压对薄膜的化学成分、结构及硬度有很大影响。脉冲偏压从- 100 增加到- 900 V 时,薄膜的Cu 含量在1.05% ~2.5%范围内变化。

  (2) TiN/Cu 薄膜由面心立方TiN( B1-NaCl) 结构构成,脉冲偏压-100 增加到-300 V 以上时,TiN 择优取向由(111) 改变为(220) 。另外TiN 晶粒尺寸在11 ~17 nm 纳米范围内,所制备的薄膜为nc-TiN/Cu纳米复合薄膜。

  (3) 在脉冲偏压幅值为-900 V 时,TiN/Cu 薄膜获得硬度值最大29.92 GPa,此时对应的Cu 含量为1.91%。

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