射频磁控溅射沉积Al/Al2O3纳米多层膜的结构及性能

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)云南省新材料制备与加工重点实验室 作者:朱雪婷

  运用射频磁控溅射技术在Si(100)基片及40Cr钢基体上制备了调制周期K=60nm,调制比G=0.25~3的Al/A12O3纳米多层膜。通过X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电镜、原子力显微镜、维氏显微硬度仪及MFT-4000多功能材料表面性能测试仪对多层膜的结构、硬度、膜基结合强度及摩擦性能进行了研究。结果表明:Al/A12O3多层膜中Al层呈现(111)择优取向,A12O3层以非晶形式存在,多层膜呈现良好的调制结构。薄膜与衬底之间的结合强度较高,均在40N左右,摩擦系数均低于衬底的摩擦系数,表明Al/A12O3多层膜具有一定的减摩作用。G=0.25的Al/A12O3多层膜具有最高的硬度值(16.1GPa),摩擦系数最低(0.21),耐磨性能最好。

  Al2O3膜因其具有优异的机械性能,如机械强度高、硬度高、耐磨及耐蚀性好,而且高温稳定性好,而受到人们的广泛关注。汽车发动机活塞的磨损比较严重,在其活塞环槽上镀上一层陶瓷膜,可使之耐磨性提高,延长使用寿命。但是陶瓷涂层是一种本征脆性材料,在摩擦过程中因发生脆性断裂失效,影响其耐磨性能。因此提高陶瓷涂层材料的韧性是影响陶瓷材料在机械领域中应用的关键。目前叠层韧化方法是提高陶瓷涂层韧性的有效方法之一。Ding等用射频磁控溅射法制备了不同Al层厚度的Al/A12O3多层膜,研究了薄膜的显微硬度及耐磨性能与调制层厚度之间的关系。Thivet等制备了不同调制周期,调制比恒为1的Al/A12O3多层膜,并探讨了薄膜的结构,发现A12O3以非晶形式存在。Mao等在NdFeB上制备了Al/A12O3多层膜,发现Al/A12O3多层膜比NdFeB上镀制单层Al膜的耐蚀性要好。Northwood等发现纳米层状Al/A12O3薄膜的摩擦系数和磨损率随金属层厚度降低而增加,并结合实验结果与已报道的相关文献分析了这种层状薄膜的力学性能及摩擦磨损性能与薄膜微观结构的关联性,对其作为耐磨涂层材料的实际运用显示出重大意义。目前有关Al/A12O3多层膜调制比与薄膜结构及性能之间的关系报道很少,本文用射频磁控溅射方法制备Al/A12O3多层膜,探讨调制比与薄膜结构及性能之间的关系。

实验

  采用FJL520型射频磁控溅射系统制备A12O3层,直流溅射金属Al层。靶材为真空烧结的A12O3靶(纯度为99.99%)及纯Al靶(纯度为99.99%),直径50mm。衬底为Si(100)基片及40Cr钢基体,镀膜前依次用丙酮、酒精及去离子水超声波清洗。本底真空度3×10-4 Pa,工作气体压强为0.5Pa,镀制Al膜时,工作气体为纯Ar(99.99%),直流溅射Al靶功率70W,镀制Al2O3膜时,工作气体为纯Ar(99.99%)及O2(99.99%),通O2的目的是保证A12O3的化学计量比,如果没有氧分压的补偿,A12O3膜就会缺氧,射频溅射功率150W。衬底循环水冷,温度30~40e,衬底以10.r/min的速率自转以提高膜均匀性。具体溅射工艺参数如表1。

表1 Al/A12O3纳米多层膜溅射工艺参数

 Al/A12O3纳米多层膜溅射工艺参数

  石英晶振仪实时监测膜厚,多层膜总厚1200nm。调制周期(定义为单层A12O3膜厚度与单层Al膜厚度之和)恒为60nm,调制比(定义为Al层厚与A12O3层厚之比)分别为0.25,0.5,1,2,3,表层为A12O3层,Al层与衬底结合,样品具体设计参数如表2。

表2 Al/A12O3纳米多层膜膜层设计参数

Al/A12O3纳米多层膜膜层设计参数

  X射线衍射(XRD)测试在日本理光2200型XRD仪上进行,CuKA线,波长0.15406nm,管压40kV,管流200mA,石墨单色滤波,扫描步长0.02b,用SPA-400型原子力显微镜(AFM)观察表面形貌,PhilipsXL30E扫描电镜(SEM)观察薄膜横截面形貌。在MFT-4000多功能材料表面性能测试仪上进行划痕实验测试薄膜的结合强度,往复摩擦实验测试薄膜的摩擦系数,摩擦速度100nm/min。维氏显微硬度仪测试薄膜的硬度,取5个点进行测试,最终结果取其均值。

结论

  (1)运用射频磁控溅射制备的K=60nm,G0.25~3Al/A12O3纳米多层膜,Al层呈现(111)择优取向,A12O3层以非晶形式存在。多层膜呈现良好的调制结构,呈典型的岛状模式生长,且表面光滑平整。

  (2)Al/A12O3纳米多层膜的结合强度较高,均在40N左右。多层膜的硬度及摩擦系数受调制比影响,随调制比逐渐增大,多层膜的硬度逐渐降低,摩擦系数逐渐升高。不同调制比的多层膜的摩擦系数均低于40Cr衬底的摩擦系数。G=0.25的多层膜具有最高的硬度值(16.1GPa),摩擦系数最低(0.21),耐磨性能最好。

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