不同调制周期的TaN/VN纳米结构多层膜的微观结构与力学性能研究(3)

(3)氮化物/氮化物体系:氮化物/氮化物体系是目前多层膜研究领域的宠儿,相较于其他几种,他是最受研究者青睐的体系。原因在于膜与膜之间的界面清晰


(3)氮化物/氮化物体系:氮化物/氮化物体系是目前多层膜研究领域的宠儿,相较于其他几种,他是最受研究者青睐的体系。原因在于膜与膜之间的界面清晰,与基底的结合力大,化学性质优良,力学性能明显等。早年Helmersson[18,19]首先发现TiN/VN单晶多层膜的超硬效应,结果显示在调制周期为5.5nm时,多层膜的硬度达到最大值5580kg/mm2,增加或降低多层膜的调制周期都会降低硬度。陶瓷纳米多层膜的高硬度以及多层结构带来对高韧性的期望,使得他在耐磨性领域被广泛的研究。1992年Shine[20]等人报道了单晶外延生长的TiN/NbN超晶格薄膜的硬度在调制周期达到4.6nm时达到最大值4900kg/mm2。早期纳米多层膜的研究重点放在了氮化物/氮化物单晶纳米多层膜领域,Barnett等人[21-26]对此做了大量的工作,这些纳米多层膜是在MgO单晶基底上外延制得的。结果表明,TiN/VN(001)单晶纳米多层膜的硬度随着调制周期的增加而增加,但是持续增加调制期会导致多层膜硬度的反常降低。经过一定时间的研究表明,除了峰值硬度的调制周期不同之外,许多多层膜体系中均存在类似的规律,表明这些多层体系的增强机制具有一定的共同性[27-30]。

单晶纳米多层膜可以帮助人们了解超硬的机理,但实际价值是研究多晶纳米多层膜。由于单层材料对膜性能的重要影响,使用高性能过渡金属氮化物材料和非晶材料制备多层膜是当代研究领域的热门。

(4)其他类型多层膜体系:前文介绍了几种当下较为热门的几种体系多层膜,除此之外,氮化物/氧化物,碳化物/碳化物等体系的多层膜也进入了研究者们的视线中。然而现阶段对于这几类多层膜的研究尚不成体系,希望随着研究的深入,他们也能登上薄膜加工领域的舞台。

1.3纳米多层膜的制备方法

近几年来薄膜科学技术的发展十分迅速,制备各种硬质涂层的方法也是层出不穷,随着硬件与理念的革新,如今的制备方法较之往前有了很多新的突破。就总体而言,纳米多层膜的制备方法大体分为两种:气相沉积法和非气相沉积法[31]。而气相沉积法可细分为物理气相沉积法,化学气相沉积法。二者区别在于物理气相沉积中只发生物理过程,化学气相沉积中则包含了化学反应过程。

1.3.1物理气相沉积(PVD)法

物理气相沉积是指通过诸如蒸发或溅射的物理方法制备部分或全部气相反应物,以及通过转移方法将膜沉积在基材上[32]。提供气相材料,传输和沉积在基材上的基本过程。物理气相沉积法可分为蒸发镀膜法和溅射镀膜法两种,前者具有高温蒸发目标金属蒸气。后者用高能离子轰击靶,使靶中的原子溅射,蒸发或溅射靶原子,在高真空下直接沉积在基质膜中。与化学气相沉积相比,物理气相沉积实现了基板低温膜,这不影响工件的组织,性能和形状尺寸。但物理气相沉积膜与基片的结合强度低于化学气相沉积涂层。

(1)蒸发镀膜法:蒸发镀膜法(蒸镀法)是在高真空条件或低压惰性气体氩或氦气下经过蒸发源的加热作用蒸发需要制备的样品,气化,升华和然后冷凝形成固体薄膜[20]。蒸镀法可细分为普通蒸镀和电子束蒸镀。蒸发镀膜法是一种先进的涂层技术,虽然溅射和离子电镀技术近年来的发展更为优越,但蒸镀法操作简单,可以在适当的工艺条件下制备。在一定程度上具有特定结构与性能的纳米层。大量的材料可以在真空中蒸发,最终在基材上冷凝形成薄膜。蒸发镀膜法主要通过控制非晶薄膜结晶过程中或在成膜期间形成纳米结构而获得纳米薄膜。目前,蒸镀法中的真空沉积技术已成为传统的薄膜制备方法,广泛用于纳米薄膜的制备和研究。