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