三靶磁控共溅射Al-Cu-Fe薄膜特性研究
Characterization of Al-Cu-Fe Films Prepared by Three-target Magnetron Cosputtering
Al-Cu-Fe薄膜由于其性能优良,来源容易,成本低等因素,已经引起有关应用研究如耐磨减摩、不粘性、耐热和耐蚀性能等方面的关注.尽管目前有关Al-Cu-Fe薄膜的制备技术、组织结构、性能等方面的研究较多,但是关于三靶共溅射Al-Cu-Fe薄膜表面形貌和生长机制与制备工艺、成分控制和组织结构、界面特性与性能之间相互关系及机理等需要进一步的研究,以期能促进其在工业部门的实际应用.采用三靶磁控共溅射方法,在不同共溅射参数(如溅射功率、溅射气压、基底温度、溅射偏压、溅射时间)和退火工艺参数条件下制备了不同特性的Al-Cu-Fe薄膜.采用原子力显微镜(AFM)、能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱仪(XPS)、透射电镜(TEM)以及X射线衍射仪(XRD)等分析了不同薄膜制备工艺参数对Al-Cu-Fe薄膜表面形貌、形核生长机制、成分、原子结合状态、界面特性和组织结构转变及其机理的影响.采用纳米压痕和纳米划痕试验分析了薄膜制备工艺参数对Al-Cu-Fe薄膜硬度和弹性模量的影响,探讨了薄膜与不同基底的结合强度和摩擦性能.主要结论总结如下:第一,Al-Cu-Fe薄膜表面粗糙度指数随着溅射功率增加和溅射时间延长而增加,溅射功率增加导致Al-Cu-Fe薄膜表面粗糙度先增加再减小,表面岛状颗粒尺寸变小.随着溅射气压由2.0Pa下降到1.0Pa,薄膜生长指数β由0.38±0.08下降为0.31±0.10.基底温度升高明显提高了薄膜表面粗糙度,岛状颗粒尺寸明显增大,表明薄膜生长主要以蒸发-凝聚扩散机制为主导.溅射偏压明显降低了薄膜表面粗糙度和表面粗糙度指数.不锈钢基底Al-Cu-Fe薄膜表面粗糙度指数高于硅基底材料;并且基底表面粗糙度愈大,薄膜表面粗糙度指数愈小.第二,基底温度升高使Al-Cu-Fe薄膜成分中的Al相对含量增加,Cu和Fe相对含量有所下降.溅射偏压提高会增加Al-Cu-Fe薄膜中Al相对含量成分的相对含量.溅射功率改变会明显影响Al-Cu-Fe薄膜的成分.溅射气压的增加或减小并不会线性增加或减小成分组成相对含量.在无溅射偏压情况下,基底温度提高会使Al-Cu-Fe薄膜表面会形成Al2O3、CuO和Fe2O3,但在室温溅射时,薄膜表面只会形成Al2O3.Al-Cu-Fe薄膜与基底材料界面处所有成分为均匀过渡.第三,共溅射态Al-Cu-Fe薄膜的一般组织为非晶态组织.当基底温度升高到450℃时,Al-Cu-Fe薄膜组织中形成了部分晶态组织.当基底温度为550℃时,根据溅射功率和溅射时间变化,Al-Cu-Fe薄膜会形成明显的θ-Al2Cu(Fe)相、ω-Al7Cu2Fe、β-AlCu(Fe)相和准晶I-Al6Cu2Fe相等组织.当基底温度为室温时,溅射偏压增大明显改变了Al-Cu-Fe薄膜的组织结构,薄膜组织由非晶态组织转变为微晶组织和非晶态的混合组织.Al-Cu-Fe薄膜退火后组织结构转变主要取决于退火温度和退火时间,主要由非晶态组织向部分准晶态和晶态组织转变.最后,溅射功率增加会导致Al-Cu-Fe薄膜的硬度明显增加,主要原因是由于薄膜中的原子结合能力随着溅射功率增加而增加.溅射偏压提高能明显增加Al-Cu-Fe薄膜的硬度和弹性模量,这与溅射偏压提高导致薄膜致密度提高,且增加了薄膜与基底的结合强度等有关.Al-Cu-Fe薄膜硬度和弹性模量随着溅射时间延长和基底温度升高有所增加.Al-Cu-Fe薄膜550℃退火60min后明显硬度和弹性模量增加,原因是由于其组织中形成微小的准晶态或晶态组织的弥散强化作用.升高基底温度和增加溅射气压能明显提高Al-Cu-Fe薄膜与Si基底的结合强度和摩擦系数.纯Al基底薄膜的摩擦系数最小,纯Cu基底薄膜的摩擦系数最大.1Cr18Ni9Ti基底与薄膜的界面结合强度最大,纯铜基底与薄膜的界面结合强度最小.
- 作者：
- 周细应
- 学位授予单位：
- 上海交通大学
- 专业名称：
- 材料学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2009年
- 导师姓名：
- 徐洲
- 中图分类号：
- TB383.2
- 关键词：
- Al-Cu-Fe薄膜；共溅射；表面形貌；生长指数；组织；基底材料；界面；性能
- Al-Cu-Fe film； cosputtering； surface morphology； growth exponent； microstructure； substrates； interface； properties
- 基金项目：
- 上海市科技发展