多层纳米薄膜结构热物性重构

基于谐波探测技术测量材料导热系数和热扩散系数的基本原理,给出3ω法用于多层纳米薄膜结构热物性实验表征的方法.考虑了层间接触热阻的作用,在频域内定义了热阻抗的概念。理论分析了各层纳米薄膜的导热系数、热扩散系数等热参数对加热膜温度波动影响的敏感性。将敏感系数与实验数据处理相结合,利用三次谐波的实部和虚部分量测量了ZrO_2/SiO_2增透膜多层膜结构中各层的导热系数和热扩散系数。该方法可用来有效表征其他微纳米结构的热性能。

MoS_(2)/Ti-WC纳米多层薄膜结构设计及其宽温域摩擦性能研究

目的探究环境温度对MoS_(2)/Ti-WC纳米多层薄膜摩擦磨损性能的影响,探讨并揭示薄膜在高温环境下的损伤机理。方法采用非平衡磁控溅射技术制备MoS_(2)/Ti-WC纳米多层薄膜,评价Ti、WC双功能组元以及纳米多层结构设计对薄膜表面形貌和微观结构的影响。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)等表征手段对薄膜的晶体结构、表截面形貌以及表面粗糙度进行分析,利用原位纳米压痕仪对薄膜的力学性能进行评估,利用高温摩擦磨损试验机评价薄膜在不同温度环境(25~300℃)下的摩擦磨损性能,进一步通过激光共聚焦对磨痕和磨斑进行光学形貌分析,并利用能谱仪(EDS)和共聚焦显微拉曼光谱(Micro-Raman)对钢配副表面的摩擦转移膜进行成分分析。最终揭示MoS_(2)/Ti-WC纳米多层薄膜在不同温度下的磨损机理。结果MoS_(2)/Ti-WC纳米多层的结构设计可以诱导MoS_(2)(002)晶面的择优生长,获得表面平整光滑、结构致密的薄膜。相比于MoS_(2)/Ti薄膜,WC纳米层的引入,赋予薄膜更高的硬度和硬/弹比。MoS_(2)/Ti-WC纳米多层薄膜在潮湿空气中的平均摩擦因数为0.07,平均磨损率为6.14×10^(-7)mm^(3)/(N·m)。结论MoS_(2)/Ti-WC纳米多层薄膜在宽温域(100~300℃)内保持稳定的摩擦性能,这得益于薄膜纳米多层的结构设计、高的硬/弹比以及优异的抗氧化性能,同时在钢配副表面形成了连续且致密的转移膜。

多层纳米Au/DPO薄膜的荧光特性

在低压直流溅射沉积的纳米Au薄膜表面喷涂有机固体晶体2,5-二苯基恶唑(DPO),制成具有(Au+DPO)单元结构的多层纳米薄膜。利用XRD表征多层纳米薄膜的晶体结构,通过SEM表征各层薄膜的表面形貌,并测试了多层纳米薄膜的紫外荧光特性。与纯DPO薄膜相比,多层纳米薄膜的紫外荧光峰出现了5 nm的蓝移,而且DPO荧光峰形貌发生改变。在多层膜中,DPO薄膜的荧光强度与薄膜层数成反比关系,而纳米Au膜的荧光强度与薄膜层数成正比关系。SEM与XRD测试结果表明,多层薄膜中的DPO薄膜随着薄膜层数的增加逐渐成为无定型结构。DPO薄膜与纳米Au膜相互作用,导致其晶体结构异于单层薄膜,进而改变了其荧光特性。

多层纳米AlGaN薄膜制备及其场发射性能

本文采用激光脉冲沉积系统在SiC基底上制备了GaN/AlN/GaN多层纳米结构薄膜,探索了多层纳米薄膜量子结构增强场发射性能.X射线衍射和扫描电子显微镜结果表明,已成功制备出了界面清晰、结晶良好的GaN/AlN/GaN多层纳米薄膜.场发射测试结果表明:多层纳米薄膜结构相对于GaN和AlN单层纳米薄膜,其场发射性能得到显著提升.其开启电场低至0.93V/μm,电流密度在5.5V/μm时已经能够达到30mA/cm^2.随后进一步分析了纳米结构增强场发射机理,电子在GaN/AlN/GaN多层纳米薄膜结构中的量子阱中积累使其表面势垒高度显著下降,并通过共振隧穿效应进一步提高电子的透过概率,从而使场发射性能极大提高.研究结果将为应用于高性能场发射器件的纳米薄膜材料的制备提供一种好的技术方案.

脉冲偏压对电弧离子镀Ti/TiN纳米多层薄膜显微硬度的影响

采用脉冲偏压电弧离子镀方法在高速钢基体上沉积Ti/TiN纳米多层薄膜,采用正交实验法设计脉冲偏压电参数,考察脉冲偏压对Ti/TiN纳米多层薄膜显微硬度的影响.结果表明,在所有偏压参数(脉冲偏压幅值、占空比和频率)和几何参数(调制周期和周期比)中,脉冲偏压幅值是影响显微硬度的最主要因素;当沉积工艺中脉冲偏压幅值为900V、占空比为50%及频率为30kHz时,薄膜硬度可高达34.1GPa,此时多层膜调制周期为84nm,TiN和Ti单元层厚度分别为71和13nm;由于薄膜中的单层厚度较厚,纳米尺寸的强化效应并未充分体现于薄膜硬度的贡献中,硬度的提高主要与脉冲偏压工艺,尤其是脉冲偏压幅值对薄膜组织的改善有关.

Al/Ni和Al/Ti纳米多层薄膜制备与表征

用磁控溅射法制备了Al/Ni、Al/Ti纳米多层薄膜。用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)和X-射线衍射仪(XRD)对其进行了结构表征和成分分析。用差示扫描量热法(DSC)测定了纳米多层薄膜的反应放热量。结果表明:工作压力为0.4 Pa,Al、Ni、Ti溅射功率分别为200,220,180 W条件下制备的Al/Ni、Al/Ti多层薄膜表面均匀致密,无尖锐峰,层状结构分明,组成成分分别为Al、Ni和Al、Ti单质状态;Al/Ni、Al/Ti多层薄膜放热量分别为1134.64,918.36 J·g-1,达到理论值的82.2%,80.7%。

TC4钛合金表面电弧离子镀TiN／CrN纳米多层薄膜研究

用电弧离子镀技术在TCA钛合金基体上通过改变偏压制备了4组TiN／CrN薄膜，对薄膜的表面形貌、厚度、相结构、硬度、膜基结合力和摩擦系数等组织、性能进行了测试表征。结果表明，薄膜是由TiN相和CrN交替叠加构成的纳米多层薄膜，薄膜的调制周期为60nm，总的厚度约为480nm。与基体钛合金相比，镀膜后样品的表面性能与偏压幅值密切相关并有显著提高：显微硬度从基体的3GPa提高到16．5-24．7GPa；摩擦系数从基体的0．35大幅度降低到0．14—0．17；薄膜与基体结合牢固，膜基临界载荷在60-80N之间。经电弧离子镀TiN／CrN纳米多层薄膜处理后，TC4钛合金可以满足沙粒和尘埃磨损条件下的耐磨性能要求。

Cr/Ag纳米多层薄膜膜-基结合强度及摩擦学性能研究

采用中频磁控溅射技术在AISI 440C钢表面制备了不同调制周期的Cr/Ag纳米多层薄膜.通过X射线衍射仪(XRD)及高分辨透射电子显微镜(HRTEM)分析表征了纳米多层薄膜的微观组织结构,通过划痕试验机与真空球-盘摩擦试验机分别测试了纳米多层薄膜膜-基结合强度及真空摩擦学性能,并与纯Ag薄膜及Cr/Ag双层薄膜进行了对比.结果表明:纳米多层结构可以显著提高Ag基固体润滑薄膜膜-基结合强度,Cr/Ag纳米多层薄膜在较高转速及载荷条件下表现出明显优于纯Ag及Cr/Ag双层薄膜的摩擦学性能.Cr薄膜层与钢基体表面良好结合以及纳米多层薄膜内良好的层间结合性能是纳米多层薄膜膜-基结合强度提高的主要原因.

Ti/TiN纳米多层薄膜改性层在Troyde's模拟体液中的抗腐蚀性能

用电弧离子镀设备,在医用不锈钢基体上沉积Ti/TiN纳米多层薄膜,考察薄膜在Troyde's模拟体液中的抗腐蚀性能.结果表明,在中性与酸性模拟体液中316L+Ti/TiN(45/45s) 体系的击穿电位分别提高5倍和2倍,腐蚀电流密度为基体的1/8与1/3,明显降低发生局部腐蚀的敏感性,但滞后环的出现说明薄膜被击穿后自修复能力较差.分析说明薄膜的纳米多层结构与纯Ti层的存在可有效提高医用不锈钢在Troyde's模拟体液中的抗点蚀能力.

PIIID技术制备Ti/DLC纳米多层薄膜

采用等离子体浸没离子注入与沉积(PIII&D)技术在2Cr13钢表面制备了Ti/DLC纳米多层薄膜,分析了膜层的微观结构和机械特性。实验结果表明:纳米多层膜具有完整、清晰的调制层结构,薄膜的显微硬度均得到明显的提高,硬度较低的膜层具有较好的膜基结合强度和优良的摩擦性能,从综合性能看:纳米多层薄膜保持了类金刚石(DLC)薄膜低摩擦系数的特性,具有良好的承载能力以及膜-基结合特性。

TiN/NbN纳米多层薄膜的交变应力场和超硬效应

为了研究纳米多层薄膜的超硬效应 ,采用反应溅射法制备从 1 4nm至 2 7nm不同调制周期的一系列TiN/NbN纳米多层膜。高分辨电子显微镜对薄膜的调制结构和界面生长方式的观察发现 ,TiN/NbN膜具有很好的调制结构 ,并呈现以面心立方晶体结构穿过调制界面外延生长的多晶超晶格结构特征。显微硬度测量表明 ,TiN/NbN纳米多层膜存在随调制周期变化的超硬效应。薄膜在调制周期为 8 3nm时达到HK39 0GPa的最高硬度。分析认为 ,两种不同晶格常数的晶体外延生长形成的交变应力场 ,对材料有强化作用 。

纳米硅氧多层薄膜低温调控及其发光特性

为了研究硅量子点薄膜在太阳电池中的应用,本文采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术,低温制备了镶嵌有纳米晶硅(nc-Si)的纳米硅氧多层(nc-SiOx/a-SiOx)薄膜样品。TEM图显示,通过调整nc-SiOx层的厚度,实现了薄膜多层结构的低温调控。利用拉曼散射光谱(Raman)、紫外可见透射光谱以及稳/瞬态光致发光(PL)谱等检测手段对薄膜的微观结构、能带特征以及发光特性进行了分析。光吸收谱分析表明,nc-Si粒子尺寸及其a-SiOx边界层共同影响薄膜的光学带隙。稳/瞬态PL谱分析表明,多层结构发光表现为一个固定于1.19eV附近的发光峰和一个随nc-SiOx层厚度增加而发生红移的发光峰,其中固定发光峰归因于非晶SiOx网络中缺陷发光,发光衰减寿命约在4.6μs,峰位可调的发光峰为nc-Si量子限制效应-缺陷态复合发光,对应两个发光衰减过程,其中慢发光衰减寿命随nc-SiOx层厚度增加由9.9μs增加到16.5μs,快发光衰减过程基本保持不变。低温PL谱的温度依赖特性进一步表明,薄膜样品的发光主要表现为nc-Si的量子限制效应发光。

基于黑硅吸收层和多层纳米组合薄膜的红外探测器的制备及研究

采用sol-gel(溶胶-凝胶)技术在SOI基底上制备了多层组合结构的纳米薄膜(PT/PZT/PT^PT/PZT/PT),采取金属键合技术,将薄膜作为敏感元件翻转与另一高热阻抗基底对接键合,然后腐蚀SOI上的底层硅和氧化硅,最终SOI材料上制备出具有锥状森林结构的黑硅作为吸收层得到一种新颖的敏感元件。重点开展高检测性能的薄膜结构和黑硅吸收层的加工工艺及其敏感机理研究,为实现气体传感器微型化、集成化与批量生产奠定技术基础。

基体偏压对反应磁控溅射ZrN/α-SiN_x纳米多层薄膜结构及性能的影响

采用中频磁控溅射技术在3种偏压条件下(0、-80、-300V)于AISI 440C钢及单晶Si(100)基体表面制备了ZrN/α-SiNx纳米多层薄膜.通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)分析表征了各纳米多层薄膜微观组织结构,并通过纳米压入仪与真空球-盘摩擦试验机分别测试了各薄膜力学及真空摩擦学性能.重点研究了基体偏压对ZrN/α-SiNx纳米多层薄膜微观组织结构,进而对其力学及摩擦学性能的影响机制.结果表明:较低的基体偏压会导致纳米多层薄膜中ZrN层差的结晶状态,而较高的基体偏压则易于引起ZrN层与SiNx层层间界面的交混.上述两种薄膜组织及结构的变化均不利于该纳米多层薄膜力学及摩擦学性能的改善.在适宜的偏压条件下(-80 V),ZrN/α-SiNx薄膜呈现出具备良好层间界面的晶体/非晶体纳米多层结构,与其他偏压条件制备的纳米多层薄膜相比,该薄膜表现出更好的力学及摩擦学性能.

二元系纳米多层薄膜非线性互扩散研究

采用非均匀体系非线性动力学离散模型计算AB二元系纳米多层薄膜的非线性互扩散,研究了A、B原子间作用力之差VBB-VAA和有序能V对纳米多层薄膜浓度分布和界面结构的影响。对于V≤0的纳米多层薄膜,随着VBB-VAA由0减小到-0.05eV,扩散过程中多层薄膜浓度偏离对称分布,界面由宽化向平直转变,有序能V由0减小到-0.025eV,导致多层薄膜的扩散速度加快。当V>0时,扩散过程中多层薄膜出现相分离趋势导致的上坡扩散,初始宽化互混的界面变得平直,且随着VBB-VAA由0减小到-0.05V,多层薄膜扩散过程中形成的浓度起伏长大成为新的亚层。AB二元系纳米多层薄膜扩散过程中的浓度分布和界面结构演变与扩散非对称性系数m′、有序能V和初始时刻的浓度梯度有关。

南海海洋大气环境二硫化钼纳米多层薄膜摩擦学行为研究

MoS_2薄膜在湿热大气环境长期存储后,由于严重的氧化导致其摩擦学性能大幅劣化,通常表现出较高的摩擦系数和较短的使用寿命.为了改善MoS_2薄膜在湿热大气环境下的抗氧化和摩擦学性能,通过非平衡闭合场磁控溅射技术制备了MoS_2/Pb-Ti纳米多层薄膜,首次研究了MoS2纳米多层复合薄膜与纯MoS_2薄膜在恶劣的南海海洋大气环境暴露储存6个月后的薄膜成分、摩擦学性能的衍化行为.结果表明:与纯MoS_2薄膜相比,MoS_2/Pb-Ti纳米多层薄膜具有更好的抗湿热氧化性能,其摩擦学性能几乎未受到南海储存环境的影响,依然表现出较低的摩擦系数和磨损率.借助XRD、XPS、TEM和纳米压痕硬度等分析手段发现其摩擦学性能的大幅改善是由于薄膜中大量的异质界面对其晶面结构、薄膜致密性和机械性能的改善,以及Pb/Ti金属复合相对MoS_2氧化的抑制作用.

nc-TiC/a-C纳米复合多层薄膜的制备及其摩擦学性能的研究

采用磁过滤阴极弧等离子体沉积技术,在单晶硅片上制备了不同亚层厚度和亚层弹性模量匹配的nc-Ti C/a-C纳米复合多层薄膜,采用X射线粉末衍射仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对其微观结构进行表征,利用激光扫描仪对其内部应力进行测试,采用微摩擦磨损试验机表征薄膜的摩擦磨损性能,以考察多层结构设计对于薄膜机械性能的影响.结果表明:多层薄膜相对于单层薄膜可以有效降低膜层内应力,同时薄膜的减摩抗磨性能也得到了提高.亚层厚度为40 nm和相邻亚层弹性模量差距较小的nc-Ti C/a-C纳米复合多层薄膜的抗磨性能最佳.

石墨烯纳米复合多层薄膜的制备及应用

层层自组装技术制备的石墨烯纳米复合多层薄膜不仅拥有石墨烯优异的摩擦学、电学、热力学性能,且可基于协同效应产生新的特定功能如光催化活性、超润滑特性、抗菌活性等。根据多层复合薄膜的组装实质,从共价键和非共价键组装角度对石墨烯纳米复合多层薄膜的制备方法进行了综述,介绍了石墨烯复合薄膜在生物医学、电子器件、传感器等领域的应用,并对石墨烯复合薄膜的发展进行了总结和展望。

CrAlYN纳米多层薄膜的微观结构和抗高温氧化性能研究

采用非平衡磁控溅射离子镀技术在M2工具钢和单晶Si表面沉积不同Y含量的Cr Al YN纳米多层薄膜,并在静态空气中进行1000℃的高温氧化实验。透射电子显微镜、扫描电镜、X射线衍射、能量色散谱、纳米压痕和划痕实验等研究结果表明:Cr Al YN纳米多层薄膜呈现fcc晶体结构,调制周期为Cr N/YN+Al N/Cr N/Al N。Cr Al YN纳米多层薄膜的抗高温氧化性能随着Y含量提高呈现先提高后下降的趋势,Y含量为1.13%(原子比)时,薄膜表现出最优的力学性能,当Y含量增加到2.67%时,薄膜的力学性能明显下降。

含过渡金属氮化物的纳米多层薄膜增韧的研究进展

过渡金属氮化物(transition metal nitrides,TMNs)因具有硬度高、热稳定性好等特点,被作为一种硬质纳米多层薄膜在工程领域得到广泛使用。但TMNs低的韧性限制了其作为纳米多层薄膜在先进制造领域的发展。如何在保持高硬度的前提下增加薄膜的韧性,成为超硬薄膜面临的新挑战。综述了TMNs纳米多层薄膜的增韧研究进展,包括TMNs薄膜传统的增韧方法(延性相增韧、相变增韧、压应力增韧、结构优化增韧)以及通过提高价电子浓度来增强硬质陶瓷薄膜韧性的可行途径;并提出通过合理的化学成分、宏观结构(衬底约束)和微观结构(原子有序)的设计,可以获得超硬和超韧的超晶格TMNs薄膜。