Al/AlN纳米多层膜及氮化铜光记录薄膜材料的制备与性能研究

论文摘要

本论文内容分两个部分,第一部分综述了纳米多层膜的最新研究进展,系统介绍了纳米多层膜的构成,超硬、超模效应的理论解释以及多层膜调制结构的表征方法,并研究了Al/AlN多层膜的性能。第二部分综述了一次性光记录材料Cu3N薄膜的最新研究进展,重点介绍了其应用领域,研究了纯Cu3N及Ti掺杂Cu3N薄膜的性能。 纳米多层膜是由几种不同的材料以纳米级厚度交替沉积形成的多层结构薄膜,具有广泛的应用前景。在纳米多层膜研究领域中,硬/硬交替多层膜是研究最多的,但这种涂层仍然存在着残余应力大,易于脱落的问题。我们基于工业实际应用的需要,设计了软硬交替多层膜体系,其中软层将起到剪切带的作用,使得硬层之间可以在保持低应力水平的情况下产生一定的“相对滑动”,以缓解膜层的内应力和界面应力。改进的软硬交替多层膜体系可以广泛应用于机械制造、汽车工业、纺织工业、地质钻探、模具工业、航空航天等领域。 利用柱状靶直流磁控溅射法,室温下在单晶硅衬底上制备了Al/AlN多层膜,并研究了其结构、力学及摩擦磨损性能,具体研究内容如下: 1)通过大量实验尝试,确定了较佳的Al/AlN多层膜制备工艺。 2)实验设计调制周期与小角XRD算出的调制周期符合较好。多层膜的小角衍射峰强度与其周期数有关。周期数越多,衍射峰越强。对较大调制周期的薄膜,由于薄膜的界面平整,出现高级衍射峰。 3)单一AlN镀层为hcp晶体结构,择优取向为AlN（100）,而对于多层膜,则出现AlN（002）取向。在多层膜中,Al的（111）和（200）峰的位置随调制周期Λ的变化而变化。随着AlN层的厚度逐渐增强,AlN（002）峰的强度逐渐增加,而角度逐渐减小。随着调制周期的增大,晶粒尺寸逐渐增大,接近薄膜的调制周期。 4)所有Al/AlN多层膜均具有一定的超硬效果。Al/AlN的厚度比对多层膜硬度影响不大,其超硬幅度达为33%～76%;调制周期为16nm的薄膜硬度达到极大,可达24.5GPa,出现明显硬度增强,是用混合法则计算硬度的2.9倍,同时也是单层AlN薄膜硬度的1.9倍。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 纳米多层膜概述
• 1.1 硬质薄膜材料的发展
• 1.1.1 硬质膜材料简介
• 1.1.2 硬质膜材料的发展
• 1.2 纳米多层超硬膜简介
• 1.2.1 多层膜的发展历史及现状
• 1.2.2 纳米多层超硬膜的构成特性
• 1.2.3 多层膜的超模超硬理论
• 1.2.4 多层膜的摩擦磨损性能
• 1.3 多层膜的结构表征
• 1.3.1 X射线衍射分析
• 1.3.2 透射电子显微分析（TEM）
• 1.3.3 俄歇电子能谱（AES）分析
• 1.3.4 X射线能谱分析（EDS）
• 1.4 Al／AIN多层膜选题依据与研究思想
• 1.4.1 选题依据
• 1.4.2 研究思想
• 参考文献
• 第二章 Al／AIN样品的制备与结构表征
• 2.1 样品的制备与表征
• 2.1.1 实验设备
• 2.1.2 样品的制备与表征
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 Al／AIN调制比对Al／AIN多层膜性能的影响
• 2.2.2 调制周期对Al／AIN多层膜性能的影响
• 2.2.3 载荷对薄膜摩擦行为的影响
• 2.2.4 多层膜表面XPS分析
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 第三章 氮化铜薄膜研究概述
• 3.1 引言
• 3.2 氮化铜薄膜的结构、性质
• 3.3 沉积参量对氮化铜性质的影响
• 3.4 氮化铜薄膜的应用前景
• 3.4.1 一次性光记录
• 3.4.2 微电子工业上的应用
• 3.4.3 其它应用
• 3.5 选题依据及研究意义
• 3.5.1 选题依据
• 3.5.2 研究思想
• 参考文献
• 第四章 纳米氮化铜薄膜研究
• 4.1 样品的制各与表征
• 4.1.1 实验装置
• 4.1.2 样品的制备与表征
• 4.2 不掺杂CusN薄膜结果与讨论
• 3N薄膜的晶体结构'>4.2.1 Cu₃N薄膜的晶体结构
• 3N薄膜的表面形貌'>4.2.2 Cu₃N薄膜的表面形貌
• 3N薄膜横断面形貌'>4.2.3 Cu₃N薄膜横断面形貌
• 3TM薄膜的沉积速率'>4.2.4 Cu₃TM薄膜的沉积速率
• 3N薄膜的热稳定性'>4.2.5 Cu₃N薄膜的热稳定性
• 3N薄膜的电阻率'>4.2.6 Cu₃N薄膜的电阻率
• 3N薄膜结果与讨论'>4.3 Ti掺杂Cu₃N薄膜结果与讨论
• 3N薄膜的晶体结构'>4.3.1 Ti掺杂Cu₃N薄膜的晶体结构
• 3N薄膜的表面及横断面形貌'>4.3.2 Ti掺杂Cu₃N薄膜的表面及横断面形貌
• 3N薄膜的电阻率'>4.3.3 Ti掺杂Cu₃N薄膜的电阻率
• 3N薄膜的光学特性'>4.3.4 Ti掺杂Cu₃N薄膜的光学特性
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 总结
• 致谢
• 附录
• 发表的论文目录
• 所获奖励
• 科研项目