残余氧对TiN+Si_3N_4纳米复合薄膜硬度的影响

用直流等离子体增强化学气相沉积设备在不锈钢表面沉积纳米晶TiN和纳米非晶Si3N4复相薄膜.主要研究了氧元素对薄膜硬度的影响.结果表明,薄膜中极其微量的氧含量就会使nc-TiN+a-Si3N4薄膜的硬度大幅降低.薄膜中氧含量小于0.2％(原子分数),薄膜硬度可以达到45-55 GPa,而氧含量升至1％-1.5％后,薄膜硬度降至30 GPa左右.其原因与晶界处形成SiOx相有关.

反应磁控溅射法制备nc-TiN/a-Si_3N_4薄膜的Young's模量和内耗

利用振簧技术测量了不同退火状态下的nc-TiN/a-Si3N4超硬薄膜的Yong's模量和内耗随温度的变化关系.在280—300℃附近观察到一个弛豫内耗峰.随着退火温度的升高,该内耗峰逐渐减弱,而Young's模量变化不大.750℃退火后,该内耗峰消失,而模量却从未退火时的430 GPa激增至530 GPa.初步认为该内耗峰来源于非稳定界面的弛豫过程.

TiN／Si_3N_4纳米晶复合膜的微结构和强化机制

采用高分辨透射电子显微镜对高硬度的TiN／Si3N4纳米晶复合膜的观察发现,这类薄膜的微结构与Veprek提出的nc-TiN／a-Si3N4模型有很大不同;复合膜中的TiN晶粒为平均直径约10nm的柱状晶,存在于柱晶之间的Si3N4界面相厚度为0．5-0．7nm,呈现晶体态,并与TiN形成共格界面．进一步采用二维结构的TiN／Si3N4纳米多层膜的模拟研究表明,Si3N4层在厚度约<0．7nm时因TiN层晶体结构的模板作用而晶化,并与TiN层形成共格外延生长结构,多层膜相应产生硬度升高的超硬效应．由于TiN晶体层模板效应的短程性,Si3N4层随厚度微小增加到1．0nm后即转变为非晶态,其与TiN的共格界面因而遭到破坏,多层膜的硬度也随之迅速降低．基于以上结果,本文对TiN／Si3N4纳米晶复合膜的强化机制提出了一种不同于nc-TiN／a-Si3N4模型的新解释．

TiN/Si_3N_4纳米多层膜的生长结构与超硬效应

采用磁控溅射方法制备了一系列不同Si3N4和TiN层厚的TiN/Si3N4纳米多层膜,采用X射线衍射、高分辨电子显微分析和微力学探针表征了薄膜的微结构和力学性能,研究了Si3N4和TiN层厚对多层膜生长结构和力学性能的影响。结果表明:当Si3N4层厚小于0.7 nm时,原为非晶的Si3N4在TiN的模板作用下晶化并与之形成共格外延生长的柱状晶,使TiN/Si3N4多层膜产生硬度和弹性模量异常升高的超硬效应。最高硬度和弹性模量分别为34.0 GPa和353.5 GPa。当其厚度大于1.3 nm时,Si3N4呈现非晶态,阻断了TiN的外延生长,多层膜的力学性能明显降低。此外,TiN层厚的增加也会对TiN/Si3N4多层膜的生长结构和力学性能造成影响,随着TiN层厚的增加,多层膜的硬度和弹性模量缓慢下降。

TiN／Si_3N_4纳米多层膜硬度对Si_3N_4层厚敏感性的研究

通过反应磁控溅射制备了一系列不同Si_3N_4层厚的TiN/Si_3N_4纳米多层膜,利用X射线衍射仪、高分辨透射电子显微镜、扫描电子显微镜和微力学探针表征了多层膜的微结构和硬度,研究了其硬度随Si_3N_4层厚微小改变而显著变化的原因．结果表明,在TiN调制层晶体结构的模板作用下,溅射态以非晶存在的Si_3N_4层在其厚度小于0．7nm时被强制晶化为NaCl结构的赝晶体,多层膜形成共格外延生长的{111}择优取向超晶格柱状晶,并相应产生硬度显著升高的超硬效应,最高硬度达到38．5 GPa．Si_3N_4随自身层厚进一步的微小增加便转变为非晶态,多层膜的共格生长结构因而受到破坏,其硬度也随之降低．

离子束辅助沉积制备TiN／Si_3N_4纳米超硬膜的工艺研究

采用离子束辅助沉积法(Ion beam assisted deposition,IBAD)在单晶硅片上进行沉积制备了TiN／Si3N4 纳米复合超硬薄膜;研究了辅助束流、轰击能量和Ti:Si靶面积比等工艺参数对TiN／Si3N4超硬纳米复合薄膜性能的影响。此外采用纳米硬度计、光电子能谱(X-ray photoelectron spectrum,XPS)和X射线衍射分析(X-ray diffraction,XRD)方法研究了纳米复合薄膜的性能、成分与组织结构;采用原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)分析了薄膜的表面形貌,并初步探讨了TiN／Si3N4纳米复合超硬薄膜的生长机理。

TiN/Si_3N_4纳米复相陶瓷电加工表面质量的正交试验研究

通过对TiN/Si3N4纳米复相陶瓷电火花线切割加工电参数的优化试验,找出了影响表面粗糙度值的主要因素和较优组合,为进一步开发TiN/Si3N4纳米复相陶瓷材料的应用提供了依据。

FDTD优化a-Si∶H薄膜太阳电池Si_3N_4纳米柱陷光结构（英文）

采用有限时域分析法研究了采用电介质Si3N4纳米柱为氢化非晶硅薄膜太阳电池的陷光结构时，其光吸收增强的情况。实验结果表明，电介质Si3N4纳米柱为氢化非晶硅薄膜太阳电池的陷光结构时，不仅可以增加吸收率和加宽吸收谱范围，而且在短波长范围内的吸收高于金属纳米颗粒。对于80nm和100nm厚的氢化非晶硅薄膜太阳电池，当达到最大吸收增强比1．60和1．53时，对应的电介质Si3N4纳米柱高度分别为90和95nm。当Si3N4纳米柱的直径D：160nm，间距P=240nm，高度H=90nm，而氢化非晶硅薄膜太阳电池的厚度在70-120nm变化时，吸收增强比在厚度为100nm时达到最大值1．60。总之，可以通过优化Si3N4纳米柱的尺寸来提高电池的转换效率。

切削液对电火花线切割加工TiN/Si_3N_4纳米复相陶瓷工艺的影响

本文通过实验研究了不同的切削液对电火花线切割加工TiN／Si3N4纳米复相陶瓷的加工速度和表面粗糙度的影响规律，对TiN／Si3N4纳米复相陶瓷的推广应用提供了重要的参考价值。

评Veprek的nc-TiN/a-Si_3N_4模型和其“超过金刚石硬度”的实验基础

由于报道获得了超过金刚石的硬度,TiN/Si3N4纳米复合薄膜成为十多年来超硬材料和薄膜材料的重要热点。本文从实验基础方面对这类薄膜的Veprek模型和＂超高硬度＂进行了评述。在微结构方面,Veprek提出的非晶Si3N4包裹TiN纳米晶的结构模型（即nc-TiN/a-Si3N4）缺乏足够的实验依据,直接观察表明：高硬度薄膜中的TiN晶粒并非等轴晶,而是纳米直径的柱状晶。就Si3N4界面相来说也并非以1个单分子层（~0.3 nm）的非晶态存在,而是厚度约3个分子层（~0.7 nm）的晶体态,更重要的是Si3N4界面相与相邻的TiN晶体形成了共格结构。在制备技术方面,十余年来始终没有人在这类材料中重复出Veprek超过金刚石硬度的结果,Veprek不仅将其归咎于缺乏足够高的沉积温度和氮分压,甚至归咎于薄膜中存在不可避免的微量氧,但也缺乏足够的直接证据。在超高硬度的样品方面,Veprek所报道超过金刚石硬度（最高达138.9 GPa）的样品不但未经任何他人检测确认,而且现在这些样品已经不存在了。

反应溅射Ti-Si-N纳米晶复合薄膜的微结构与力学性能

采用Ar、N2 和SiH4混合气体反应溅射制备了一系列不同Si含量的Ti Si N复合膜 ,用EDS、XRD、TEM和微力学探针研究了复合膜的微结构和力学性能。结果表明 ,通过控制混合气体中SiH4分压可以方便地获得不同Si含量的Ti Si N复合膜。当Si含量为 (4～ 9)at%时 ,复合膜得到强化 ,最高硬度和弹性模量分别为 34 2GPa和 398GPa。进一步增加Si含量 ,复合膜的力学性能逐步降低。微结构研究发现 ,高硬度的Ti Si N复合膜呈现Si3 N4界面相分隔TiN纳米晶的微结构特征 ,其中TiN纳米晶的直径约为 2 0nm ,Si3 N4界面相的厚度小于 1nm。

TiN涂层陶瓷刀具膜—基界面应力的试验研究

利用X射线衍射(XRD)应力分析仪测试了TiN薄膜涂层与Si3N4陶瓷刀具基体的界面残余应力状况,分析了成膜过程中应力形成的原因及对膜—基结合强度的影响。结果表明,TiN薄膜的残余应力为压应力,本征应力为张应力,应力的大小及分布对涂层刀具的硬度和膜—基结合强度有明显影响。

Si_3N_4/BN纳米复合粉体的制备

采用化学溶液法,溶解分散H38O3,CO(NH2)2及α-Si3N4微粉制成悬浮液,干燥后以氢还原氮化法制备出纳米氮化硼包覆微米氮化硅的Si3N4/BN纳米复合粉体.利用X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对复合粉体的形成过程及形貌结构研究发现:当反应温度为1100℃时,包覆层中除在临近α-Si3N4颗粒表面有少量涡流状氯化硼(t-BN)生成外,其主要组成部分为非晶态BN.以上复合粉体经1450℃氮气氛下处理后,非晶态氯化硼与涡流状氮化硼转化为h-BN.所制复合粉体经1800℃热压烧结获得加工性能良好的复相陶瓷.

氮气对PECVD制备氮化硅薄膜结构与性质的影响

采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术,以SiH_4、NH_3和N_2为反应气体,研究氮气对制备氮化硅薄膜及其结构与性质影响.研究结果表明,利用PECVD沉积非晶SiNx薄膜时,薄膜中含有大量以Si-H和N-H键存在的H+离子,当其键合断裂时,大量H从膜中扩散出来并与其他杂质和缺陷发生反应,在沉积SiNx薄膜的过程中形成H空位,H以氢-空位对方式迅速扩散,完成钝化过程,导致薄膜致密性降低.适当增加氮流量,导致薄膜中N/Si比增大,Si-Si键浓度减少,Si-N键浓度增加,并出现轻微的蓝移;继续增加氮流量,薄膜逐渐呈富N态,伴随缺陷态增多,辐射增强,导致光学带隙迅速展宽,带尾态能量逐渐减小;当氮流量较高时,薄膜中形成了包埋在非晶SiNx中的Si_3N_4晶粒,实现了从非晶SiNx薄膜向包含Si_3N_4小晶粒薄膜材料的演变过程.

Ti-Si-N复合膜的界面相研究

为了揭示Ti_Si_N复合膜中Si3N4界面相的存在方式及其对薄膜力学性能的影响,采用x射线衍射仪、高分辨透射电子显微镜、俄歇电子能谱仪和显微硬度仪对比研究了磁控溅射Ti_Si_N复合膜和TiN/Si3N4多层膜的微结构和力学性能.实验结果表明,Ti_Si_N复合膜均形成了Si3N4界面相包裹TiN纳米晶粒的微结构.其中低Si含量的Ti_Si_N复合膜中Si3N4界面相的厚度小于1nm,且以晶体态存在,薄膜呈现高硬度.而高Si含量的Ti_Si_N复合膜中的Si3N4界面相以非晶态存在,薄膜的硬度也相应降低.显然,Ti_Si_N复合膜中Si3N4界面相以晶体态形式存在是薄膜获得高硬度的重要微结构特征,其强化机制可能与多层膜的超硬效应是相同的.