纳米Ni-Cr薄膜的制备、表征及其性能研究

论文摘要

随着现代科技的飞速发展，薄膜技术已经与压力传感器制造技术相结合。我国国防、航空、航天、现代工业生产和自动控制都急需高精度、高稳定性、耐恶劣环境的纳米合金薄膜压力传感器。研制具有稳定的电性能，高电阻值、较小的电阻温度系数（TCR）、高敏感度、能适应苛刻环境的纳米薄膜是薄膜压力传感器已成当务之急。本文利用低能离子束溅射技术成功地制备了性能优良且致密无缺陷的纳米Ni-Cr薄膜；系统研究了纳米Ni-Cr薄膜的制备工艺；表征了纳米Ni-Cr薄膜的形貌、结构、成分以及电学性能，提出了溅射态纳米Ni-Cr薄膜准-非晶宽界面电导机制、层状扩散机制、分层氧化机制，成功地解释了实验结果。主要得到以下结论：首先，基于薄膜凝固态物理基本原理、合金薄膜溅射知识，同时考虑溅射率、溅射能和结合能的关系，推导出了计算预测Ni-Cr薄膜成分的简便公式，提出了一种计算预测纳米Ni-Cr薄膜成分的设计原则与薄膜制备方法；采用此方法成功地制备了各种成分与厚度的纳米Ni-Cr薄膜。经过正交实验分析，研究了磁控溅射纳米Ni-Cr薄膜溅射沉积行为、薄膜成分与溅射工艺参数的关系；探讨了影响薄膜成分和显微结构以及电阻率、电阻温度系数和应变因子的主要因素；提出了纳米Ni-Cr薄膜的分层氧化模型；优化设计了纳米Ni-Cr薄膜的成分、厚度、电阻温度系数、应变因子及热退火工艺。实验证实：计算预测薄膜成分后通过磁控共溅射法制备所需成分的纳米Ni-Cr薄膜是可行的。第二，基于金属热力学基本原理，考虑三种元素的相互影响，扩展了Daken公式；首次提出了Ni-Cr薄膜层状梯度扩散模型，应用菲克第二扩散定律，用叠加法原理，推导出一个同时包含三个元素的扩散计算方法，用此方法计算了Ni、Cr元素的扩散系数以及从界面向基体中的扩散距离。计算结果与实验现象吻合良好。第三，利用低能离子束轰击及原子级联碰撞效应，以动能转换，靶原子搬迁新技术，在双离子束溅射镀膜机上成功地制备了性能优良的纳米Ni-Cr薄膜。系统研究了Ni-Cr薄膜的离子束溅射规律及性能影响因素。提出并推导了Ni-Cr薄膜中Ni、Cr原子面密度与再溅射原子通量比之间的关系式，可以直观的表达出合金薄膜成分与溅射条件及靶成分的变化规律。研究了Ni-Cr薄膜离子束溅射时的选择性溅射现象，探讨了采用合金靶制备所需组分的Ni-Cr薄膜的溅射条件；表征了纳米Ni-Cr薄膜的表面形貌、粗糙度、晶体结构、显微结构、晶胞常数、内应力等随溅射条件、热退火温度的变化。分析了其生长过程，电导机理及应变敏感性。研究结果表明：利用低能离子束溅射技术，可以有效抑制溅射缺陷生成及晶粒尺寸的长大，成功地制备了性能优良、结构致密的纳米Ni-Cr薄膜。发现并提出了纳米Ni-Cr薄膜中几种电导机理转变的薄膜厚度门槛值。提出了F-S模型、F-N模型及M-S模型理论在解释实际纳米Ni-Cr薄膜的电导机理时存在的局限性。发现准-非晶宽界面散射是造成电阻率增加的主要原因，基于实验结果和薄膜物理基本概念，首次提出了溅射态薄膜准-非晶宽界面散射模型，建立了纳米薄膜准-非晶宽界面散射电导理论，从薄膜物理学及热力学和动力学角度很好地解释了纳米Ni-Cr薄膜的电阻随温度及成分的变化机理；研究发现薄膜的结构稳定存在一个临界温度。短程有序的准-非晶原子组态变为晶体结构需要大于其临界温度；经过适当的热退火之后，低能离子束溅射制备的纳米Ni-Cr薄膜结构稳定致密，电阻稳定，具有较低的TCR值及较大的方块电阻，以及较好的厚度和方块电阻的均匀性，完全可以满足压力传感器对电阻敏感材料的电性能要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电阻应变效应及薄膜压力传感器的研究概况
• 1.2 纳米Ni-Cr薄膜国内外研究概况
• 1.2.1 普通纳米Ni-Cr薄膜
• 1.2.2 改进型纳米Ni-Cr薄膜
• 1.2.3 含N纳米Ni-Cr薄膜
• 1.2.4 Ni-Cr多层薄膜
• 1.3 纳米Ni-Cr薄膜的电导研究现状
• 1.4 本课题的研究意义及主要研究内容
• 第二章 纳米Ni-Cr薄膜的制备及研究方法
• 2.1 TXZ550-Ⅰ型磁控溅射镀膜设备结构及性能
• 2.2 LD-2B型双离子束溅射镀膜设备结构及性能
• 2.3 薄膜样品的制备
• 2.3.1 薄膜制备工艺流程
• 2.3.2 磁控溅射纳米Ni-Cr薄膜的制备
• 2.3.3 离子束溅射纳米Ni-Cr薄膜的制备
• 2.3.4 纳米Ni-Cr薄膜的热退火处理
• 2.4 本文涉及的几种表征及测量方法简介
• 2.4.1 薄膜成分的表征及均匀性的检测
• 2.4.2 薄膜表面形貌的表征
• 2.4.3 薄膜显微结构的表征
• 2.4.4 薄膜物相、相结构、晶粒尺寸及内应力的XRD表征
• 2.4.5 薄膜厚度的测量
• 2.4.6 薄膜方块电阻和电阻率测定
• 2.4.7 薄膜电阻温度系数的测量
• 2.4.8 薄膜电阻应变因子的测试
• 第三章 纳米Ni-Cr薄膜的磁控溅射行为及其热退火规律
• 3.1 溅射条件对Ni-Cr薄膜成分、结构及性能的影响
• 3.1.1 溅射气压对阴极起辉电压的影响
• 3.1.2 溅射功率对薄膜成分的影响
• 3.1.3 溅射功率对沉积速率的影响
• 3.1.4 溅射功率对薄膜电阻率的影响
• 3.2 Ni-Cr薄膜制备工艺的正交实验结果分析
• 3.3 Ni-Cr薄膜的热退火
• 3.3.1 薄膜成分、厚度及电阻率
• 3.3.2 热退火时Ni-Cr薄膜的表面氧化及表面氧化的模型
• 3.3.3 退火对Ni-Cr薄膜晶体结构的影响
• 3.3.4 热退火时方块电阻与电阻率的变化
• 3.3.5 热退火对薄膜TCR的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 Ni-Cr薄膜中元素的扩散行为
• 4.1 试样的制备与研究手段
• 4.2 Ni-Cr薄膜的成分
• 4.3 Ni-Cr薄膜截面显微形貌及元素含量
• 4.4 Ni、Cr元素扩散距离的计算
• 4.4.1 扩散模型的建立
• 4.4.2 扩散系数的计算
• 4.4.3 对Daken公式的修正
• 4.5 本章小结
• 第五章 纳米Ni-Cr薄膜成分及性能的优化设计
• 5.1 纳米Ni-Cr薄膜成分的优化设计
• 5.1.1 薄膜的成分、厚度及电阻率
• 5.1.2 Ni-Cr薄膜的厚度、成分均匀性及氧化性
• 5.1.3 Ni-Cr薄膜的XRD实验
• 5.1.4 Ni-Cr薄膜显微结构的TEM观察
• 5.1.5 成分与电阻应变因子
• 5.1.6 成分与电阻温度系数（TCR）
• 5.1.7 成分对应变因子的影响机理
• 5.1.8 成分对薄膜TCR的影响机理
• 5.2 纳米Ni-Cr薄膜厚度的优化设计
• 5.2.1 不同厚度薄膜的形貌、成分、厚度及方块电阻
• 5.2.2 不同厚度薄膜的应变因子
• 5.2.3 薄膜的表面形貌和表面粗糙度
• 5.2.4 薄膜的成分均匀性及氧化性
• 5.2.5 薄膜电阻温度系数及其稳定性
• 5.3 本章小结
• 第六章 离子束溅射纳米Ni-Cr合金薄膜
• 6.1 Ni-Cr薄膜的沉积过程及沉积速率
• 6.2 Ni-Cr薄膜的溅射特性
• 6.2.1 溅射沉积Ni-Cr薄膜时的成分变化
• 6.2.2 Ni-Cr薄膜生长过程成分变化的解析模型
• 6.2.3 Ni-Cr薄膜成分的选择性溅射现象及分析
• 6.3 纳米Ni-Cr薄膜的结构、表面形貌及生长过程
• 6.3.1 纳米Ni-Cr薄膜的表面形貌及晶体结构
• 6.3.2 纳米Ni-Cr薄膜的生长模型
• 6.4 纳米Ni-Cr薄膜的的内应力
• 6.5 纳米Ni-Cr-N薄膜的沉积速率及表面形貌
• 6.6 本章小结
• 第七章 纳米Ni-Cr薄膜的电导特性及应变敏感性
• 7.1 纳米Ni-Cr薄膜的结构及其导电性
• 7.1.1 沉积厚度及薄膜结构对纳米Ni-Cr薄膜导电性的影响
• 7.1.2 非连续纳米Ni-Cr薄膜的电导机理
• 7.1.3 连续Ni-Cr薄膜的电导机理
• 7.1.4 溅射离子束能量对连续Ni-Cr薄膜的电导机理影响
• 7.2 温度对Ni-Cr薄膜的电阻及电阻温度系数的影响
• 7.2.1 溅射态纳米Ni-Cr薄膜的电阻及TCR
• 7.2.2 经过低温空气气氛下热退火后的电阻及TCR
• 7.2.3 经过复合热退火后的电阻及TCR
• 7.2.4 温度对电阻及TCR的影响机理讨论
• 7.3 电阻稳定化实验
• 7.4 含氮改性纳米Ni-Cr-N薄膜的电阻及TCR
• 7.5 Ni-Cr薄膜的电阻应变系数
• 7.5.1 不同厚度纳米Ni-Cr薄膜电阻应变系数
• 7.5.2 连续薄膜的电阻应变系数影响因素讨论
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果目录