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AINSi3N4 纳米多层膜的外延生长与力学性能.pdf
第57卷第8期2008年8月 物 理 学 报
1000..3290/2008/57(08)/5151..08 ACTAPHYSICASINICA @2008
Chin.Phys.Soe.
AIN/Si3N4纳米多层膜的外延生长与力学性能*
喻利花 董松涛 董师润 许俊华’
(江苏科技大学材料科学与工程学院,江苏省先进焊接技术重点实验室,镇江212003)
(2007年12月7日收到;2008年4月17日收到修改稿)
采用射频磁控溅射方法制备单层A1N,Si,N4薄膜和不同调制周期的A1N/Si,N4纳米多层膜.采用x射线衍射
仪、高分辨透射电子显微镜和纳米压痕仪对薄膜进行表征.结果发现,多层膜中si,N4层的晶体结构和多层膜的硬
度依赖于si3N.层的厚度.当AIN层厚度为4.0am、Si3N4层厚度为0.4rim时,A]N和Si,N4层共格外延生长,多层膜
形成穿过若干个调制周期的柱状晶结构,产生硬度升高的超硬效应.随着SbN4层厚的增加,Si,N4层逐步形成非晶
并阻断了多层膜的共格外延生长,多层膜的硬度迅速降低,超硬效应消失.采用材料热力学和弹性力学计算了
Si,N4层由晶态向非晶转变的临界厚度.探讨了A1N/Si3N4纳米多层膜出现超硬效应的机理.
关键词:AIN/Si,N4纳米多层膜,外延生长,应力场,超硬效应
PACC:6146,6855,6460M,6860
之间.
1.引 言 近来的研究表明,在很多材料体系中非平衡相
稳定存在于很薄的薄膜和多层膜中,即所谓的
现代加工技术的发展,对刀具涂层提出了诸如 外延稳定效应¨训.例如,在AIN/TiN【l¨,AIN/VN【I副,
“高速高温”、“高精度”、“高可靠性”、“长寿命”等更
高的服役要求,而传统的单一镀层(如TiN)已不能
AIN,NbN,CrNo.。立方亚稳相结构,而通常沉积条件
完全胜任刀具服役条件.纳米结构多层膜利用两种
下AIN,NbN,CrN¨为六方结构.在这些纳米多层膜
以上的硬质薄膜以纳米级厚度交替生长,薄膜的硬
体系中,其组成材料在相同的沉积条件下得到的是
度可达到40GPa以上…,并且由于大量界面的存在
单晶或多晶.除此之外,在TiN/CN。¨6|,ZrN/CN;¨引,
提高了薄膜的抗裂性,从而为制备高硬度、高韧性和
高抗氧化温度的涂层提供了一个很好的技术路线.
为此,对纳米结构多层薄膜中存在的超硬效应和理
am时被晶
板作用下,当CN。或Si,N4在层厚小于1
论以及通过合金化提高薄膜的抗高温氧化性能是近
年来国际上研究的一个热点oHl.虽然人们设计了 化,纳米多层膜形成共格外延生长结构,并在相应的
调制周期存在超硬效应.SMerberg等伽。¨通过实验
用来揭示陶瓷纳米结构多层膜硬化效应的各种实验
并进行了理论计算,但对纳米结构多层薄膜力学行 直接观察到SiN。在1—2个分子层厚时被晶化为立
为的研究多注重于二组元的尺寸相当,即纳米结构 方结构SiN.这些结果为设计新纳米结构材料提供
多层薄膜的调制比通常为l:l,硬度异常升高的调 了新思路.事实上,以往对纳米多层膜的外延稳定效
制周期的范围通常在4.O一10.0am之间.当调制周 应的研究,均是选择立
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