TaN和Ti_(1-x)Al_xN薄膜的微观结构、硬度和摩擦学性能的研究

【摘要】反应磁控溅射法制备薄膜是一个非平衡过程，工艺条件的调控可以改变轰击粒子的能量、反应活性、迁移能力等，使得薄膜在生长过程中会伴随着组元成分变化、晶粒取向演变、相转变以及微观组织结构变化等，进而影响其性能（如硬度、断裂韧性、附着力、摩擦磨损、光学、电学、磁学等）。在NaCl结构的二元氮化物（如TiN、CrN）薄膜生长中，提出了很多生长模式和机理，用来构建工艺条件和择优取向演变的关系，但是对相结构复杂的二元氮化物或多元氮化物，控制其相结构、择优取向、微观结构，仍然是一个严峻的课题。为了获得高质量和力学性能优异的氮化物薄膜，且实现其可控制备，我们选用多相结构的TaN和多组元的Ti1-xAlxN薄膜作为研究对象，采用以N2作为反应气体的反应磁控溅射方法制备了多系列的TaN和Ti1-xAlxN薄膜，探究沉积条件（氮气流量和基片偏压）对薄膜相结构﹑择优取向、微观结构和力学性能的影响，得到以下主要结论：（1）氮气流量对TaN薄膜积速率﹑微观结构、表面形貌以及力学性能影响显著，通过改变氮气流量可以制备TaN0.1相、γ-Ta2N相、γ-Ta2N和-TaN两相共存以及-TaN相；靶材表面氮化导致薄膜沉积速率下降；六方结构的γ-Ta2N相以及薄膜中存在的压应力有助于提高薄膜的硬度；在不同氮气流量下制备的TaN薄膜的摩擦磨损行为主要受薄膜中的压应力﹑薄膜中的相结构的抗氧化性﹑H3/E2的影响，以上作用相互竞争使的氮气流量为2sccm时制备的TaN0.1和氮气流量为5sccm时制备的Ta2N的磨痕比较明显且密集；氮气流量为30sccm﹑45sccm﹑60sccm时制备的立方TaN磨痕较宽且分散。探究基片偏压对-TaN的微观结构和力学性能的影响，发现随着基片偏压的升高，-TaN薄膜出现（111）择优取向，薄膜的表面粗糙度逐渐降低，压应力持续增大，硬度提高，抗磨损能力降低；通过热力学计算发现，应变能驱动-TaN薄膜中的晶体结构向着（111）取向转变，表面能驱动-TaN薄膜中的晶体结构向着（200）取向转变，应变能和表面能的竞争决定了薄膜的择优取向；随着基片偏压的升高，到达薄膜表面粒子的能量提高有助于原子在薄膜表面的迁移，从而导致薄膜的表面粗糙度逐渐降低，表面变得更加致密；（111）择优取向和薄膜中存在的压应力有助于-TaN薄膜的硬度提高，薄膜中存在的高应力使得薄膜的抗磨损能力降低。（2）利用反应磁控溅射的方法溅射TiAl靶和Ti3Al靶，制备了一系列的TiAN和Ti3AlN薄膜，在Ti1-xAlxN薄膜中，Al原子取代TiN中的Ti原子形成Ti-Al-N固溶体。本实验中制备的TiAN和Ti3AlN薄膜都为面心立方结构，随着氮气流量的增加TiAN和Ti3AlN薄膜中的Ti含量降低，Al含量增加，基片偏压的引入使得到达薄膜的粒子能量提高，薄膜的生长更加致密；薄膜中的晶体取向受到晶粒竞争生长、表面能、应变能的共同作用。薄膜中晶粒的（111）择优取向、组织致密化和压应力增加有助于薄膜中硬度的提高。
【作者】李鑫；
【导师】郑伟涛；
【作者基本信息】吉林大学，材料物理与化学，2014，硕士
【关键词】TaN薄膜；Ti1-xAlxN相结构；择优取向；硬度；摩擦学；

【参考文献】
[1]艾宝江.包车客运管理信息系统的分析与设计[D].厦门大学,软件工程,2014,硕士.
[2]时剑.基于灰色理论的区域配网无功预测分析研究[D].广东工业大学,控制科学与工程,2014,硕士.
[3]张亚华.欧洲中央银行独立性和责任性研究[D].华东师范大学,金融学,2002,硕士.
[4]李峰,贾红兵,陈杰,熊昕,王经逸,房尔园.离子液体在合成橡胶中的应用研究进展[J].合成橡胶工业,2013,01:69-73.
[5]秦斌,罗智,刘翔宇,龚韬,王欣.焦炉集气管压力智能控制系统[J].冶金自动化,2002,02:50-53.
[6]陈小静.新型pH-还原敏感纳米药物载体的合成与表征[D].西北大学,化学工艺,2014,硕士.
[7]陈国达.生态语言学多样性原则视角下的语言偏离研究[D].湖南工业大学,外国语言学及应用语言学,2012,硕士.
[8]赵兴敏.基于XML数据的关键字查询处理研究[D].燕山大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[9]陈凡.基于自助服务的顾客使用意向与自我效能的关系研究[D].华中师范大学,企业管理,2014,硕士.
[10]张雅琴.关联规则挖掘算法的设计[J].山西电子技术,2005,03:10-12.
[11]石小莲.WIN实验室设备有限公司营销策略改进研究[D].上海外国语大学,工商管理,2014,硕士.
[12]冯慧娟.柔性轴车削加工的动力学仿真及误差研究[D].河北工业大学,机械工程,2013,硕士.
[13]韩珺珺.论党史文化的内涵及其价值[D].浙江大学,马克思主义中国化研究,2013,硕士.
[14]张航.LC+LCBDE与EST+LC在肝外胆管结石中的应用[D].吉林大学,临床医学,2014,硕士.
[15]郭玉姣.我国房地产养老PE的可行性分析[D].首都经济贸易大学,金融（专业学位）,2014,硕士.
[16]侯锐.论分析型CRM在网络教育领域的应用[D].东北财经大学,2005.
[17]李辉亮.激素和热激对大豆[Glycine max（L.）Merrill]花荚脱落的影响及其分子机理研究[D].湖南农业大学,作物栽培与耕作学,2004,硕士.
[18]石勇,李银国,陈和平.基于连续型决策表的模糊PID控制方法[J].冶金自动化,2007,01:9-13.
[19]赵大伟.正常中青年国人及单纯LAD狭窄左心室局部功能256CT研究[D].河北医科大学,影像医学与核医学,2013,硕士.
[20]王蕊.航空公司航油成本控制及对策[D].首都经济贸易大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[21]陶桂宝.基于DNC软插件技术集成化生产管理系统研究与实践[D].重庆大学,2003.
[22]胡浩平,王志斌,周杰,费庆.马钢CSP生产线带钢板形控制系统[J].冶金自动化,2006,02:10-14.
[23]陈淑娟.恢复期肺栓塞患者的运动心肺功能特点及临床应用价值[D].苏州大学,内科学,2013,硕士.
[24]关新平,邬晶,龙承念.一类时滞大系统的分散弹性控制器设计:自适应方法[J].自动化学报,2004,03:471-475.
[25]赵静囡.东西方视野下的广泛性焦虑障碍[D].黑龙江中医药大学,中医医史文献,2013,硕士.
[26]刘佳.论课程知识的社会建构与学生的主体性发展[D].湖北大学,课程与教学论,2011,硕士.
[27]刘宝会.多功能数字散斑干涉无损检测技术及应用研究[D].天津大学,2004.
[28]杨克强.基于三维CAD的智能三坐标测量路径规划与碰撞检查关键技术研究[D].河北科技大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[29]李洋.城市火灾救援应急预案生成中的关键技术研究[D].国防科学技术大学,摄影测量与遥感,2012,硕士.
[30]周玮.从金融危机看宏观审慎监管——中国与世界的应对[J].时代金融,2015,09:9-10.
[31]孙建永.PEI/pDCN纳米复合物治疗大鼠Thy-1肾炎实验研究[D].复旦大学,病理学,2011,博士.
[32]胡晨.CBNB公司的供应链管理研究[D].宁波大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[33]崔小云.掺铕YF_3晶体的可控制备及其发光性质研究[D].吉林大学,光学,2013,硕士.
[34]周涛明.面向客户的产品定制设计平台研究及实践[D].浙江工业大学,机械电子工程,2004,硕士.
[35]杨轩.二十世纪五十年代海峡两岸土地改革成效之比较[D].南京师范大学,专门史,2012,硕士.
[36]牛志斌,韦刚,于奎光.数控机床故障的分析与排除[J].机电一体化.1997(04)
[37]张奎杰.30吨级井下运矿卡车优化设计[D].烟台大学,机械制造及其自动化,2014,硕士.
[38]曹哲,刘东,包海龙.基于本体的公共信息模型更新与扩展分析[J].电力系统自动化,2013,11:71-75.
[39]丁洪磊.摇拔戳手法治疗急性外踝关节扭伤的临床研究[D].北京中医药大学,中医学,2013,硕士.
[40]吕常委.平面图补图中的轮[D].南京大学,基础数学,2013,硕士.
[41]阮凌云.应用作业成本法加强建筑工程项目成本管理[D].浙江工业大学,2009.
[42]刘宪坤.环绕立体声(四)[J].今日电子.1994(12)
[43]周勇波.GaN材料位错按深度分布的表征及位错与点缺陷关系的研究[D].西安电子科技大学,微电子学与固体电子学,2012,硕士.
[44]黄子俊,陈允平.行波故障定位中小波基的选择[J].电力系统自动化,2006,03:61-64+104.
[45]甄栋.新现实与新动向[D].天津大学,建筑设计及其理论,2004,硕士.
[46]彭连辉.六苯基苯衍生物的合成，结构及其应用研究[D].华中科技大学,生物制药工程,2013,硕士.
[47]刘企英.渤海石油公司物探技术成果交流会[J].石油地球物理勘探,1989,03:358.
[48]肖琰.武汉市循环经济发展的政府行为分析[D].天津商业大学,政治经济学,2013,硕士.
[49]陈洋.花生红衣原花青素的分离鉴定及其对丙烯酰胺抑制作用的研究[D].华中农业大学,食品科学,2014,硕士.
[50]李振亮,祁小妮,何兴权.四磺酸基酞菁钆修饰电极的电催化性能研究[J].广州化工,2014,14:114-116.