Al_(2)O_(3)改性等离子喷涂-物理气相沉积热障涂层的异物损伤行为及失效机理

由外来异物损伤引起的颗粒冲蚀是制约热障涂层使用寿命的重要因素。为了提高等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)热障涂层的耐冲蚀性能,采用磁控溅射和真空热处理在PS-PVD喷涂的7YSZ热障涂层表面制备一层致密的α-Al_(2)O_(3)。系统研究热障涂层的异物损伤行为,并采用第一性原理计算对α-Al_(2)O_(3)/c-ZrO_(2)界面进行研究。结果表明,PS-PVD、大气等离子喷涂(APS)和电子束-物理气相沉积(EB-PVD)热障涂层的冲蚀质量损失率分别为324、248和139μg/g,而Al_(2)O_(3)改性的PS-PVD热障涂层的冲蚀质量损失率降至199μg/g。此外,在Al_(2)O_(3)/ZrO_(2)-O的顶部构型模型中观察到的界面结合能最高(3.88 J/m^(2)),远高于ZrO_(2)/Ni(2.011 J/m^(2)),使界面结合性能得以提高。

热丝化学气相沉积法制备单晶金刚石的试验研究

热丝化学气相沉积法沉积区域可达12英寸(30.48 cm),其具备大批量生产单晶金刚石的潜力。采用尺寸为3 mm×3 mm×1 mm,(100)取向的单晶金刚石为基体,利用热丝化学气相沉积法以甲烷和氢气为前驱体,同时通入少量氮气进行同质外延生长。结果表明,在热丝温度为2200℃、碳源浓度为4%、腔体气压为4 kPa的条件下,单晶金刚石以3.41μm/h的速度生长,表面无多晶、破口、孔洞等缺陷;外延层X射线衍射光谱在(400)面处峰值的半高宽为0.11°,低于基体的半高宽0.16°,证明外延层具有较高的晶体质量;氮气的引入可以提升单晶金刚石的生长速度,同时降低外延层的晶体质量,较高的氮气浓度还会使得单晶金刚石的生长模式转为岛状生长。

等离子体增强化学气相沉积设备的技术要点及性能分析

等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是一种重要的表面涂覆技术,可用于制备薄膜材料。对此,需要研究并分析等离子体增强化学气相沉积设备的技术要点和性能,介绍PECVD设备的基本构成和工作原理,研究PECVD设备的关键技术要点。其中,气体供给系统的精确控制是实现均匀沉积薄膜的关键。为了提高沉积速率和薄膜质量,需优化反应室的设计以确保等离子体的均匀分布和稳定性。此外,射频电源的功率和频率的选择也对薄膜质量有重要影响。实践证明,通过研究技术要点和性能分析,可进一步优化设备参数,提高薄膜质量和沉积效率,为相关领域研究提供有力支持。

等离子体增强化学气相沉积法制备类金刚石薄膜研究综述

类金刚石薄膜由于其独特的物理化学特性,使得该薄膜在光学、电学、机械、医学、航空航天等领域得到了广泛应用。等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)制备类金刚石是近几十年兴起的新的制备类金刚石薄膜的方法,因其对沉积温度要求低,对基底友好,同时还具有沉积速率快和无转移生长的优势,获得了越来越多的研究者关注。详细介绍了类金刚石薄膜优异的特性,阐述了在等离子化学气相沉积条件下,不同沉积条件对沉积类金刚石薄膜结构特性的影响。衬底的选择直接影响着沉积类金刚石薄膜的性能,不同的衬底直接决定着生成类金刚石结构中sp^(3)相的数量和质量;沉积参数是最为常见的控制条件,对沉积薄膜的总体效果影响也是最大的,改变沉积参数,沉积薄膜的表面将会变得更加光滑致密;常用的掺杂元素是硅和氮,掺杂元素的引入往往是为了降低沉积薄膜的内应力,提高与衬底间的结合力,延长使用寿命等;由于很难直接在金属上沉积类金刚石薄膜,所以常通过制备复合层来改善沉积效果。最后对类金刚石薄膜的发展以及今后研究方向进行了展望。

等离子增强化学气相沉积制备氮化硅薄膜的工艺优化与性能

采用等离子增强化学气相沉积方法在p型<100>硅片沉积氮化硅薄膜,通过椭偏仪和缓冲氧化物刻蚀液(BOE)溶解实验来表征薄膜的均匀性与致密度,研究了射频功率、腔室气压、气体流量比和衬底温度4个工艺参数对氮化硅薄膜性能的影响。结果表明:在60~100 W范围内,射频功率越大,氮化硅薄膜生长速率越快;腔室气压在130 Pa时有利于形成均匀性好、结构致密的氮化硅薄膜。硅烷/氨气气体流量比例较低时,提高流量比可以提高薄膜的致密度,但比例超过1.4后致密度几乎不再变化;衬底温度在200~300℃时,衬底温度越高,薄膜的生长速率越低,致密度越高。最优的工艺参数为:射频功率100 W、腔室气压130 Pa、硅烷流量280 mL/min、氨气流量10 mL/min、衬底温度300℃,此时氮化硅薄膜的生长速率为16.3 nm/min,均匀性为0.07%,折射率为2.1,溶解速率为0.42 nm/s。

微波等离子体化学气相沉积法制备大尺寸单晶金刚石的研究进展

金刚石作为一种超宽禁带半导体,是下一代功率电子器件和光电子器件最有潜力的材料之一。然而,高品质、大面积(大于2英寸)单晶衬底的制备仍是金刚石器件产业应用亟待解决的问题。介绍了目前受到广泛关注的微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)获得大尺寸金刚石单晶衬底的技术方案,即单颗金刚石生长、拼接生长以及异质外延生长。综述了大尺寸单晶金刚石外延生长及其在电子器件领域应用的研究进展。总结了大尺寸单晶金刚石制备过程中面临的挑战并提出了潜在的解决方案。

等离子喷涂-物理气相沉积防护涂层及其失效机理研究进展

防护涂层在航空发动机和燃气涡轮发动机免受水氧腐蚀和盐雾侵蚀、耐高温、抗冲刷和服役寿命方面发挥着重要的作用。等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术以其大功率、喷射范围广、能够使粉末原料以气相甚至离子化和非视线沉积特性等特点被广泛应用在热/环境障涂层制备领域,形成的涂层具有沉积效率高、孔隙率较高、热导率低、应变容限高等特点。首先,对PS-PVD热障涂层的表面形貌、柱状晶特点和等离子射流特性进行了探讨。然后,讨论了PS-PVD YSZ热障涂层表面镀铝改性对涂层抗CMAS侵蚀、减少孔隙和裂纹、TGO的生成和提高热循环寿命方面的重要作用,结果表明表面镀铝能显著减少涂层表面孔隙、凹坑、微裂纹和熔融盐对于热障涂层的不利影响。其次,简要概述了近年来SiCf/SiC CMCs代替镍基高温合金在航空发动机基体上抗高温高压和快速失效方面发挥的重要作用。SiCf/SiC CMCs与T/EBCs的结合,有效延长了航空发动机的使用寿命,是我国航空事业的又一次重大突破。此外,重点介绍了PS-PVD非视线沉积特性和涂层阴影效应在涂层沉积方面这一特色,总结了TGO、残余应力、热膨胀失配、微裂纹和粗糙度是涂层失效的主要影响因素。最后,对PS-PVD技术未来在制备热/环境障涂层方面的前景进行了展望。

直流等离子体-热丝化学气相沉积金刚石薄膜的研究

通过在传统热丝化学气相沉积装置中引入直流等离子体,设计了直流等离子体一热丝化学气相沉积金刚石薄膜的设备,设备中既包括相互独立的灯丝电压和施加的偏压。通过调节偏压可以控制所形成的等离子体的偏流。在这一改进的系统中研究了金刚石薄膜形核和生长过程,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)分析了金刚石的样品,结果表明,施加偏压不仅能大大促进金刚石的形核密度(1010cm-2)、提高金刚石薄膜的生长速率,金刚石薄膜的取向也随机取向变为(111)定向生长。

脉冲直流等离子体增强化学气相沉积Ti-Si-N纳米薄膜的摩擦磨损特性

采用工业型脉冲等离子体增强化学气相沉积设备,通过调节氯化物混合比例控制薄膜成分,在高速钢基材表面于550℃下沉积由纳米晶TiN和纳米非晶Si3N4组成的Ti-Si-N复合薄膜;采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪及X射线光电子能谱仪分析了薄膜的结构、组成和化学状态;采用球-盘高温摩擦磨损试验机考察了薄膜同GCr15钢对摩时的摩擦磨损性能.结果表明:薄膜的Si含量在0%～35%范围内变化,随着Si含量增大,薄膜沉积速率增大,但薄膜由致密形态向大颗粒疏松态过渡;薄膜的晶粒尺寸为7～50nm;Ti-Si-N薄膜的显微硬度高于TiN的硬度,最高可达60GPa;引入少量Si可以显著改善TiN薄膜的抗磨性能,但薄膜的摩擦系数较高(室温下约0.8、400℃下约0.7);随着Si含量的增加,Ti-Si-N薄膜的耐磨性能有所降低,其原因在于引入导电性较差的Si元素使得薄膜的组织变得疏松.

WC-8.0%Co基底上微波等离子化学气相沉积金刚石膜

研究了基片预处理和工艺参数对微波等离子化学气相沉积金刚石涂层WC 8.0 %Co刀具质量的影响 ,研究了提高成核密度和沉积速率的方法 ,用SEM ,XRD ,激光Raman光谱分析了金刚石涂层质量 ,用切削试验检测金刚石涂层与刀具基底的附着情况。结果表明 ,在 1∶3的稀盐酸中酸洗 15min后用氨水浸泡 10min的基片处理方法能有效地抑制金属钴的溢出 ,从而提高金刚石涂层的质量 ,并且使刀具使用寿命提高 10倍以上。

采用空心阴极放电等离子体化学气相沉积方法制备a-CH薄膜

研究了不同衬底 阴极距离、直流电压和H2流量对a CH薄膜沉积速率的影响。结果表明:衬底 阴极距离必须大于0.5cm,随着该距离的增加,薄膜的沉积速率减少;直流电压达550V时沉积速率最大;随着H2含量的增加,CH4含量相对减少,沉积速率随之降低。用AFM观察了以该方法制得的448.4nmCH薄膜的表面形貌,表面粗糙度约为10nm。最后测出了不同条件下CH薄膜的UV VIS谱,由此可以计算得到薄膜的禁带宽度及折射率。

微波等离子体化学气相沉积β-C_3N_4超硬膜的研究

采用微波等离子体化学气相沉积法（ＭＰＣＶＤ），用高纯氮气（９９．９９９％ ）和甲烷（９９．９％ ）作反应气体，在多晶铂（Ｐｔ）基片上沉积Ｃ３Ｎ４ 薄膜。利用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）和扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）观察薄膜形貌表明，薄膜由针状晶体组成。Ｘ射线能谱（ＥＤＸ）分析了这种晶态Ｃ－Ｎ膜的化学成分。对不同样品不同区域的分析结果表明，Ｎ／Ｃ比接近于４／３。Ｘ射线衍射结构分析说明该膜主要由β－Ｃ３Ｎ４ 和α－Ｃ３Ｎ４ 组成。利用Ｎａｎｏ ｉｎｄｅｎｔｅｒ Ⅱ测得Ｃ３Ｎ４ 膜的体弹性模量Ｂ达到３４９ ＧＰａ，接近ｃ－ＢＮ（３６７ ＧＰａ）的体弹性模量，证明Ｃ３Ｎ４ 化合物是超硬材料家族中的一员。

电子回旋共振—微波等离子体化学气相沉积法制备a-C:H(N)薄膜

采用电子回旋共振 -微波等离子体化学气相沉积技术 ,使用 CH4 和 N2 混合气作为反应气体 ,在硅衬底上制备掺氮含氢非晶碳 (a- C∶ H(N) )薄膜。紫外 Ram an光谱证实了薄膜的类金刚石特性 ;傅立叶变换红外光谱表明薄膜中存在 CH和 CN键结构。采用原子力显微镜 (AFM)观察薄膜的微观表面形貌 ,结果表明薄膜表面光滑。论文详细叙述了薄膜制备工艺 ,对测试结果进行了分析讨论 。

ECR-RF双功率源等离子体化学气相沉积制备类金刚石薄膜的研究

利用微波ECR加射频功率源等离子体化学气相沉积技术,以CH4为碳源气体,Ar气为稀释气体,在硅片(100)上制备了类金刚石薄膜。Raman光谱证实了薄膜的类金刚石特性;傅立叶变换红外光谱表明薄膜中存在明显的C—H键结构。采用AFM观察了表面形貌,均方根粗糙度大约为1.489nm,表明薄膜表面比较光滑。最后对其进行了摩擦性能测试,薄膜的平均摩擦系数为0.102。

等离子体增强热丝化学气相沉积法生长取向金刚石薄膜

采用等离子体增强热丝化学气相沉积法在Si(111)衬底上生长金刚石薄膜 ,扫描电子显微镜 (SEM )和X射线衍射 (XRD)分析结果表明金刚石晶体颗粒在〈111〉方向实现了取向生长。随H2 气氛中CH4 浓度的提高金刚石的形核率增加 ,但当CH4 在H2 中的体积分数≥ 0 .0 4时石墨竞相生长 ,无金刚石生成。等离子体增强形核技术能极大地提高金刚石的形核密度 ,在高密度等离子体的作用下 ,金刚石的形核密度可达 10 9个 /cm2 。

H_(2)对HfO_(2)衬底上等离子体增强化学气相沉积石墨烯的影响

HfO_(2)薄膜和石墨烯是用于制作石墨烯场效应晶体管的主要材料,而采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)在HfO_(2)衬底上原位生长石墨烯是极具潜力的一种石墨烯制备方法,这种方法有助于降低石墨烯转移过程对石墨烯质量的影响,从而提高石墨烯场效应晶体管的性能。使用真空电子束蒸镀方法在重掺杂单抛硅片衬底上分别于50、150、250℃下沉积了100 nm厚的HfO_(2)薄膜样品;随后选用最优质量的HfO_(2)薄膜作为生长石墨烯的衬底,采用PECVD方法在温度为600℃、CH4流速为4 sccm的条件下,以不同的H2流速(0、5、10、15、20 sccm)原位生成石墨烯薄膜。结果显示,150℃下蒸镀的HfO_(2)薄膜粗糙度最低,表面最平整,同时也拥有最佳的介电性能。当H2流速为10 sccm时,可获得少层石墨烯薄膜,此时的石墨烯薄膜缺陷最小,表面平整且连续性好。通过对HfO_(2)衬底上石墨烯的生长机理进行分析发现,HfO_(2)衬底的低表面能导致含碳物种难以吸附到衬底上,石墨烯不易生长,但适当的H2参与可以有效降低CH4裂解反应的活化能,促进CH4的裂解,有利于生长出大面积的连续型石墨烯薄膜。

施加偏压对采用等离子体辅助热丝化学气相沉积法在硬质合金上沉积金刚石/碳化硅/硅化钴复合薄膜的影响

金刚石涂层硬质合金是一种出众的刀具材料,将碳化硅掺入金刚石涂层中不仅可以提高涂层的断裂韧性,还能够提高薄膜与基体之间的粘附性。文章采用氢气、甲烷和四甲基硅烷混合气体作为反应气体,用直流等离子体辅助热丝化学气相沉积法在硬质合金基体上沉积金刚石-碳化硅-硅化钴复合薄膜。通过扫描电子显微镜、电子探针显微分析、X射线衍射和拉曼光谱对薄膜的表面形貌、成分以及结构进行了分析,结果显示此复合薄膜中含有金刚石、碳化硅(β-Si C)和硅化钴(Co2Si、Co Si)。复合薄膜的结构和成分可通过调节偏流和气相中四甲基硅烷的浓度来控制,随着偏流的增加,复合薄膜中金刚石晶粒尺寸变大且含量增加,β-Si C的含量减少,因为复合薄膜沉积过程中正偏压促进金刚石的生长,并且增强金刚石的二次形核。虽然电子轰击同时增强了氢气、甲烷和四甲基硅烷的分解,但随着偏流的增加,气相中产生的碳源浓度高于硅源浓度,使金刚石比β-Si C在空间生长上更具有优势。当偏流过高时则形成纯金刚石,不能够同时沉积金刚石、β-Si C和硅化钴三种物质。通过调节偏压和气体成分,金刚石和碳化硅在复合薄膜中的分布得以控制。该工作有助于理解和控制复合材料和超硬薄膜的生长,所产生的复合薄膜可用于提高金刚石涂层刀具切削性能。

射频-直流等离子体增强化学气相沉积设备的研制

综合利用射频和直流辉光放电的特点研制成功射频－直流等离子化学气相沉积设备。成功地用该设备制备出类金刚石薄膜。类金钢石薄膜的沉积速率随极板负偏压、气体工作压力的增加而增大。

等离子化学气相沉积硅-硼-氮复合薄膜的组成和结构

利用X射线衍射 (XRD)和X光电子能谱 (XPS)等技术对射频 -直流 -等离子化学气相沉积 (RF -DC -PVCD)在钢基体上Si-B -N复合薄膜的组成和结构进行分析和研究 ;结果表明 ,通过给试样基体加一适当的直流负偏压 ,得到含有显著六方氮化硼 (h_BN)、立方氮化硼 (c_BN)结晶相的Si-B

新型微波等离子体化学沉积装置的数值仿真

为了解决2.45 GHz微波等离子体化学沉积(MPCVD)装置沉积金刚石面积小、质量低的问题,提出了一款新型915 MHz半球形的MPCVD装置,并使用COMSOL软件对装置的结构进行优化设计。优化结果表明,当薄板与中心轴的距离为70 mm时,顶部电场强度仅为500 V/m,可以有效屏蔽谐振腔顶部次生电场的产生。将气体入口设置在谐振腔顶部时,气流会从基片台上均匀地横向扩散到底部排气孔,保证了反应物在基片台上的均匀分布。腔体底部的调谐机构可将谐振腔内的电场强度维持在4000 V/m以上,以确保金刚石的生长条件。优化设计了同轴天线穿过矩形波导的距离和同轴波导中心到短路活塞的距离,将反射系数S11降低到-8.7 dB。设计的新型915 MHz MPCVD装置可在高功率、高气压条件下沉积大面积、高质量的金刚石薄膜,具有实际应用价值。