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简论多层NbTi、NiTa和AgTa纳米多层膜力学性能结论

收藏本文 2024-01-14 点赞:27219 浏览:121702 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:本论文制备了Nb-Ti、Ni-Ta和Ag-Ta三种系统的多层膜,并通过多种实验手段浅析了其力学性能随调制周期变化的规律;通过与文献中类似的系统进行比较,讨论了模量差别、混合热和协调应力等因素对不同系统多层膜硬度提升的作用。Nb/Ti多层膜采取磁控溅射的策略制备,其硬度随着调制周期的减小先上升后下降,在周期为10nm时硬度达到最大,比长周期的样品高出了约10%。文献报道的V-Ti系统多层膜(协调应力大)与Nb-Ti系统(模量差别大)同为bcc-hcp结构,它们给出了类似的硬度变化走势,但前者的硬度却提升了80%,表明在bcc-hcp结构的多层膜中,协调应力的强化作用比模量错配对硬度的贡献更加显著。Nb/Ti多层膜在一定真空度的退火后,多层膜的硬度提升了80%。浅析表明,膜层中渗透了氧元素,并以弥散分布的氧化物形式有着于Nb中,以及间隙原子形式有着于Ti中。这导致了多层膜的硬度较大的提升,但退火并没有显著转变多层膜的电阻率。Ni/Ta和Ag/Ta多层膜都是采取电子束蒸发的方式制备的。实验测得的多层膜硬度值都位于混合平均值以下,这是由于两个系统均有较大的强度错配,塑性形变容易在较软的金属层中发生(与Ta层相比,Ag或Ni层较软)。与长周期多层膜相比,随着调制周期的减小,Ni/Ta多层膜的硬度提升了16%,而Ag/Ta提升了121%。在两个系统中均观察到,在某些局部区域Ta不同程度地穿入到较软的Ag层或Ni层中,并且界面处含有少量的非晶结构。这种结构将随调制周期的减小而增加,它阻碍了塑性形变在较软金属层进行,以而提升了多层膜的硬度。由于Ni-Ta系统的混合热为负值,周期为4nm的Ni/Ta多层膜完全非晶化,并且形成了特殊的柱状结构,使得它的硬度有所下降。对于混合热为正的Ag/Ta多层膜,其在4nm调制周期下仍为多晶结构,并仍呈现出硬度的提升。通过与文献报道的Ag/Nb多层膜的综合比较,我们认为,正的混合热有助于强度错配较大fcc-bcc多层膜在小周期下的硬度提升。关键词:纳米多层膜论文力学性能论文Nb/Ti论文Ni/Ta论文Ag/Ta论文

    摘要3-4

    Abstract4-9

    第1章 引言9-19

    1.1 纳米薄膜材料9

    1.2 纳米多层膜介绍9-11

    1.3 纳米多层膜的力学性能11-18

    1.3.1 探讨进展12-14

    1.3.2 主要论述14-18

    1.4 本论文的探讨思路与内容18-19

    第2章 实验策略19-28

    2.1 多层膜制备19-21

    2.1.1 基片选择与处理19

    2.1.2 磁控溅射19-20

    2.1.3 电子束蒸发20-21

    2.2 多层膜结构浅析21-23

    2.2.1 X 射线荧光谱浅析21-22

    2.2.2 X 射线衍射浅析22

    2.2.3 俄歇电子探针22-23

    2.2.4 扫描电子显微镜23

    2.2.5 透射电子显微镜23

    2.3 纳米压痕测试23-26

    2.3.1 纳米压痕测量原理24-25

    2.3.2 连续刚度测试25-26

    2.4 电学性能测试26-28

    第3章 Nb/Ti 多层膜的力学性能28-45

    3.1 Nb/Ti 多层膜的设计28-29

    3.2 Nb/Ti 多层膜的制备29

    3.3 Nb/Ti 多层膜的热处理29

    3.4 Nb/Ti 多层膜的测试结果29-41

    3.4.1 薄膜厚度测试与元素成分浅析29-30

    3.4.2 小角度 X 射线衍射30-32

    3.4.3 高角度 X 射线衍射32-35

    3.4.4 SEM 形貌观察35-37

    3.4.5 AES 元素浅析37-38

    3.4.6 表面电阻率测试38-39

    3.4.7 力学性能测试39-41

    3.5 Nb/Ti 多层膜实验结果浅析41-44

    3.5.1 制备态 Nb/Ti 多层膜的力学性能浅析41-42

    3.5.2 退火态 Nb/Ti 多层膜的力学性能浅析42-44

    3.5.3 Nb/Ti 多层膜的热稳定性44

    3.6 本章小结44-45

    第4章 Ni/Ta 多层膜的力学性能45-60

    4.1 Ni/Ta 多层膜的设计45

    4.2 Ni/Ta 多层膜的制备45-46

    4.3 Ni/Ta 多层膜的测试结果46-54

    4.3.1 小角度 X 射线衍射46-47

    4.3.2 高角度 X 射线衍射47-49

    4.3.3 TEM 截面形貌观察49-53

    4.3.4 力学性能测试53-54

    4.4 Ni/Ta 多层膜实验结果浅析54-59

    4.4.5 硬度变化机制56-58

    4.4.6 弹性模量变化机制58-59

    4.5 本章小结59-60

    第5章 Ag/Ta 多层膜的力学性能60-71

    5.1 Ag/Ta 多层膜的设计60-61

    5.2 Ag/Ta 多层膜的制备61

    5.3 Ag/Ta 多层膜的测试结果61-65

    5.3.1 小角度 X 射线衍射61-62

    5.3.2 高角度 X 射线衍射62-63

    5.3.3 TEM 截面形貌观察63-65

    5.3.4 力学性能测试65

    5.4 Ag/Ta 多层膜实验结果浅析65-69

    5.5 本章小结69-71

    第6章 结论71-73

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