本文關(guān)鍵詞：高功率脈沖磁控濺射峰值功率對(duì)純鉻及氮化鉻薄膜力學(xué)性能的影響

  更多相關(guān)文章： HIPIMS 峰值功率 離化率 純Cr薄膜 CrN薄膜 力學(xué)性能

【摘要】：高功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)技術(shù)具有較高的靶材峰值功率和較低的占空比,能使靶材原子高度離化,從而產(chǎn)生具有高能量的離子。在薄膜沉積過(guò)程中,大量高能離子轟擊薄膜,使所沉積薄膜的性能(如硬度、結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性等)顯著提高,因此開(kāi)展靶材原子離化率的相關(guān)工作具有非常重要的意義。本文旨在探究影響靶材功率和金屬離化率的主要因素,繼而制備純鉻(Cr)及氮化鉻(CrN)薄膜,研究峰值功率對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。首先通過(guò)改變HIPIMS技術(shù)中工藝參數(shù)(如氣壓)以及電源參數(shù)(脈寬、頻率、電壓、限流電阻等)研究Cr靶放電特性及等離子體組分的變化,探索影響靶材放電和金屬離化率的最主要參數(shù)。研究結(jié)果表明：限流電阻能夠顯著調(diào)控靶材峰值功率,是影響金屬離化率的最主要因素。其次,通過(guò)調(diào)節(jié)HIPIMS技術(shù)電路中的限流電阻,可以得到不同峰值功率。在此基礎(chǔ)上,采用不同峰值功率制備純鉻(Cr)薄膜,對(duì)所制備薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、表面形貌、力學(xué)性能等進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明：隨著靶峰值功率的增加,等離子體中各組分(Cr+,Cr0,Ar+,Ar0)強(qiáng)度值以及金屬離化率逐漸增加,同時(shí)基片上離子流密度和離子原子到達(dá)比也相應(yīng)增加；不同峰值功率所制備純Cr薄膜的相結(jié)構(gòu)基本一致；薄膜的晶粒尺寸和表面粗糙度均隨峰值功率的增加而減��；薄膜的力學(xué)性能檢測(cè)表明所沉積純Cr薄膜的殘余壓應(yīng)力和顯微硬度隨峰值功率的增加而增加,但由于過(guò)大的應(yīng)力會(huì)削弱膜/基結(jié)合力,因此在高的峰值功率下,所制備純Cr薄膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度有所降低。在研究純Cr薄膜的基礎(chǔ)上,采用HIPIMS技術(shù)改變限流電阻,在不同峰值功率下制備氮化鉻(CrN)薄膜,研究峰值功率對(duì)金屬原子離化率以及CrN薄膜微觀結(jié)構(gòu)、表面形貌和力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：隨著峰值功率的增加,等離子體各組分(Cr+,Cr0,Ar+,Ar0)強(qiáng)度和金屬原子離化率逐漸增加；相結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)薄膜中均出現(xiàn)CrN(200)和CrN(220)衍射峰,高的峰值功率所制備薄膜中還出現(xiàn)了一個(gè)較弱的Cr2N(111)衍射峰；隨著峰值功率的增加,由于基體表面溫度升高,導(dǎo)致所沉積CrN薄膜晶粒尺寸逐漸增大；不同的峰值功率下制備的CrN薄膜均具有良好的膜/基結(jié)合強(qiáng)度；特別要指出的是,在高的峰值功率下,所制備CrN薄膜的耐磨性和韌性均有較大提高。
【關(guān)鍵詞】：HIPIMS 峰值功率 離化率 純Cr薄膜 CrN薄膜 力學(xué)性能
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O614.611;TB383.2
【目錄】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-20
• 1.1 高功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)12-16
• 1.1.1 高功率脈沖磁控濺射技術(shù)的提出12-13
• 1.1.2 高功率脈沖磁控濺射技術(shù)的放電機(jī)制13-14
• 1.1.3 高功率脈沖磁控濺射的應(yīng)用14-15
• 1.1.4 高功率脈沖磁控濺射存在問(wèn)題15-16
• 1.2 CrN薄膜16-19
• 1.2.1 CrN薄膜性質(zhì)和結(jié)構(gòu)16
• 1.2.2 CrN薄膜應(yīng)用16-17
• 1.2.3 CrN薄膜制備方法17-18
• 1.2.4 高功率脈沖磁控濺射技術(shù)制備CrN薄膜18-19
• 1.3 本文選題意義和研究?jī)?nèi)容19-20
• 第2章 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法20-28
• 2.1 高功率脈沖磁控濺射設(shè)備20-21
• 2.2 基體材料的選擇與處理21
• 2.3 電學(xué)參數(shù)及等離子體發(fā)射光譜采集21-23
• 2.3.1 靶材放電電學(xué)參數(shù)的采集21-22
• 2.3.2 等離子體發(fā)射光譜的采集22-23
• 2.4 薄膜的厚度和應(yīng)力分析23-24
• 2.5 薄膜的結(jié)構(gòu)、成分和形貌分析24-26
• 2.5.1 薄膜的結(jié)構(gòu)分析24
• 2.5.2 薄膜的成分分析24-25
• 2.5.3 薄膜的形貌分析25-26
• 2.6 薄膜的力學(xué)性能表征26-28
• 2.6.1 薄膜的顯微硬度分析26
• 2.6.2 膜/基結(jié)合性能評(píng)價(jià)26-27
• 2.6.3 摩擦磨損性能評(píng)價(jià)27-28
• 第3章 高功率脈沖磁控濺射Cr靶放電特性及等離子組分研究28-42
• 3.1 工作氣壓對(duì)Cr靶放電及等離子組分的影響28-31
• 3.1.1 工作氣壓Cr靶放電特性的影響28-30
• 3.1.2 工作氣壓對(duì)等離子體組分的影響30-31
• 3.2 頻率對(duì)Cr靶放電及等離子組分的影響31-33
• 3.2.1 頻率對(duì)Cr靶放電特性的影響31-32
• 3.2.2 頻率對(duì)等離子體組分的影響32-33
• 3.3 脈沖寬度對(duì)Cr靶放電及等離子組分的影響33-36
• 3.3.1 脈沖寬度對(duì)Cr靶放電的影響33-35
• 3.3.2 脈沖寬度對(duì)等離子體組分的影響35-36
• 3.4 電壓對(duì)Cr靶放電及等離子組分的影響36-38
• 3.4.1 電壓對(duì)靶材放電特性的影響36-37
• 3.4.2 電壓對(duì)等離子體組分的影響37-38
• 3.5 限流電阻對(duì)Cr靶放電及等離子組分的影響38-40
• 3.5.1 限流電阻對(duì)Cr靶放電特性的影響38-39
• 3.5.2 限流電阻對(duì)等離子體組分的影響39-40
• 3.6 本章小結(jié)40-42
• 第4章 峰值功率對(duì)純Cr薄膜結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響42-52
• 4.1 Cr薄膜的制備42
• 4.2 基片離子流密度和離子原子到達(dá)比42-43
• 4.3 Cr薄膜沉積速率和殘余應(yīng)力43-45
• 4.3.1 Cr薄膜沉積速率43-44
• 4.3.2 Cr薄膜殘余應(yīng)力44-45
• 4.4 Cr薄膜微觀結(jié)構(gòu)45-48
• 4.4.1 Cr薄膜相結(jié)構(gòu)分析45
• 4.4.2 Cr薄膜TEM分析45-46
• 4.4.3 Cr薄膜AFM分析46-48
• 4.5 Cr薄膜力學(xué)性能48-51
• 4.5.1 Cr薄膜顯微硬度48-49
• 4.5.2 Cr薄膜與基體結(jié)合強(qiáng)度分析49-51
• 4.6 本章小結(jié)51-52
• 第5章 峰值功率對(duì)CrN薄膜結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響52-64
• 5.1 CrN薄膜的制備52-53
• 5.2 靶材放電特性及等離子體組分53-55
• 5.2.1 靶材放電特性曲線53-54
• 5.2.2 等離子體組分分析54-55
• 5.3 CrN薄膜沉積速率和微觀結(jié)構(gòu)55-58
• 5.3.1 CrN薄膜沉積速率55
• 5.3.2 CrN薄膜相結(jié)構(gòu)分析55-56
• 5.3.3 CrN薄膜表面和斷面形貌56-58
• 5.3.4 CrN薄膜成分分析58
• 5.4 CrN薄膜力學(xué)性能評(píng)價(jià)58-63
• 5.4.1 CrN薄膜殘余應(yīng)力58-59
• 5.4.2 CrN薄膜納米硬度和彈性模量59-60
• 5.4.3 CrN薄膜與基體結(jié)合強(qiáng)度分析60-61
• 5.4.5 CrN薄膜耐磨性評(píng)價(jià)61-63
• 5.5 本章小結(jié)63-64
• 結(jié)論64-65
• 致謝65-66
• 參考文獻(xiàn)66-72
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文72

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本文編號(hào)：516355