脉冲溅射功率对含硅量子点SiC_x薄膜的结构和光学特性的影响

采用射频和脉冲磁控共溅射法并结合快速光热退火法制备了含硅量子点的SiC_x薄膜.采用掠入射X射线衍射、喇曼光谱、紫外-可见-近红外分光光度计和透射电子显微镜对薄膜进行表征.研究了脉冲溅射功率对薄膜中硅量子点数量、尺寸、晶化率和薄膜光学带隙的影响.结果表明:当溅射功率从70 W增至100 W时,硅量子点数量增多,尺寸增至5.33nm,晶化率增至68.67%,而光学带隙则减至1.62eV;随着溅射功率进一步增至110 W时,硅量子点数量减少,尺寸减至5.12nm,晶化率降至55.13%,而光学带隙却增至2.23eV.在本实验条件下,最佳溅射功率为100 W.

高功率脉冲磁控溅射技术制备ta-C膜及性能改性研究

硬质合金表面沉积四面体非晶碳膜(ta-C薄膜)的结合力和摩擦性能影响着其在切削刀具和耐磨零部件领域的应用效果。基于高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)制备了ta-C薄膜,通过调节C2H2流量对ta-C薄膜进行了改性研究。利用SEM对薄膜厚度进行观察,通过拉曼和XPS对其结构进行研究,通过纳米压痕对其硬度进行表征,通过纳米划痕对薄膜的结合力进行研究并通过摩擦磨损试验对薄膜的耐磨性进行探究。结果表明,通入C2H2气体可有效改善ta-C薄膜的结构、硬度、结合力和耐磨性能。改变C2H2流量可调控ta-C薄膜的性能,随着C2H2流量的逐渐增大,薄膜的各项性能呈现先增大后减小的趋势,当C2H2流量为15 cm^(3)/min时,薄膜的各项性能都达到较为优异的结果,ta-C薄膜厚度达655.9 nm,硬度提高到43.633 GPa,结合力提升到19.2 N,此时sp3键含量为70.19%,ta-C薄膜表面均匀、致密,且性能优良。

高功率脉冲磁控溅射沉积原理与工艺研究进展

高功率脉冲磁控溅射技术是一种峰值功率超过平均功率2个量级、溅射靶材原子高度离化的脉冲溅射技术,作为一种新的离子化物理气相沉积技术,已成为国际研究的热点,有关高功率脉冲放电、等离子体特性、薄膜及其工艺等方面的研究进展十分迅速。文中从高功率脉冲磁控溅射的原理出发,介绍10多年来高功率脉冲电源的发展,从高功率脉冲放电等离子体特性与放电物理、等离子体模型,以及沉积速率和薄膜特性等方面综述技术的研究进展。

高脉冲功率密度复合磁控溅射电源研制及放电特性研究

高功率脉冲磁控溅射技术(HPPMS)由于能够产生较高的离化率而受到人们的重视。为了提高离化率/沉积速率协同效应,基于直流和脉冲耦合叠加技术我们研制了高功率密度复合脉冲磁控溅射电源,并对高功率复合脉冲磁控溅射放电特性进行研究。结果表明脉冲峰值电流随脉冲电压的增加而增加,但随着脉冲宽度的增加而减小。在高功率脉冲期间工件上获得的电流可以增加一个数量级以上,表明磁控离化率得到显著增强。

高功率脉冲磁控溅射技术的发展与研究

高功率脉冲磁控溅射技术(HPPMS)作为一种溅射粒子离化率高、可以沉积致密、高性能薄膜的新技术已经在国外广泛研究,但在国内尚未见研究报道。本文介绍了近十年来HPPMS技术在电源、脉冲形式、放电行为和薄膜沉积等方面的研究进展。在HPPMS过程中,粒子随脉冲开关通过电子冲击和电荷交换电离,并按照双极扩散理论向基体附近传输,离子能量分布随工作气压的不同而呈现不同的分布特征。这些放电特征有利于获得更宽的工艺范围和优异的膜层性能,最后介绍了我们实验室在HPPMS方面的研究工作。

高功率脉冲磁控溅射技术沉积硬质涂层研究进展

高功率脉冲磁控溅射技术是最新发展起来并受到广泛关注的一种高离化率物理气相沉积技术，它利用较高的脉冲峰值功率（超出传统磁控溅射2～3个数量级）和较低的脉冲占空比（0．5％～10％）来实现高金属离化率（〉50％），在获得优异的膜基结合力、控制涂层微结构、降低涂层内应力、控制涂层相结构等方面都具有显著的技术优势．本文从高功率脉冲磁控溅射技术的原理出发，探讨了高功率脉冲溅射技术沉积涂层的特性和技术优势，介绍了10多年来高功率脉冲磁控溅射技术在刀具涂层界面优化、高性能硬质涂层沉积、复合高功率脉冲磁控溅射技术制备纳米多层/复合硬质涂层和氧化物涂层沉积、低温沉积等方面的研究进展．

复合高功率脉冲磁控溅射技术的研究进展

高功率脉冲磁控溅射技术(HIPIMS)是一门新兴的高离化率磁控溅射技术。概述了HIPIMS的技术优势,包括高膜层致密度和平滑度、高膜基界面结合强度以及复杂形状工件表面膜层厚度均匀性好等。同时归纳了HIPIMS存在的问题,包括沉积速率及低溅射率金属靶材离化率低等。在此基础上,重点综述了近年来复合HIPIMS技术的研究进展,其中复合其他物理气相沉积技术的HIPIMS,包括复合直流磁控溅射增强HIPIMS、复合射频磁控溅射增强HIPIMS、复合中频磁控溅射增强HIPIMS、复合等离子体源离子注入与沉积增强HIPIMS等;增加辅助设备或装置的HIPIMS,包括增加感应耦合等离子体装置增强HIPIMS、增加电子回旋共振装置增强HIPIMS,以及增加外部磁场增强HIPIMS等。针对各种形式的复合HIPIMS技术,分别从复合HIPIMS技术的放电行为、离子输运特性,及制备膜层的结构与性能等方面进行了归纳。最后展望了复合HIPIMS技术的发展方向。

高功率调制脉冲磁控溅射沉积TiAlSiN纳米复合涂层结构调控与性能研究

采用高功率调制脉冲磁控溅射Al/（Al＋Ti）原子比（x）分别为0.25、0.5和0.67的TiAlSi合金靶,溅射功率1～4kW,氮气分压25%,工作气压0.3Pa,在Si（100）和AISI304奥氏体不锈钢基片上沉积了TiAlSiN纳米复合涂层。TiAlSiN涂层中氮含量保持在52.0at%～56.7at%之间,均形成了nc-TiAlN/a-Si3N4/AlN纳米晶/非晶复合结构。随着原子比x增加,非晶含量增加,涂层硬度先升高而后降低。当x=0.5时,硬度最高可达28.7GPa。溅射功率升高可提高溅射等离子体中金属离化程度,促进涂层调幅分解的进行,形成了界面清晰的非晶包裹纳米晶结构,且晶粒尺寸基本保持不变。当x=0.67时,溅射功率由1kW上升到4kW时,硬度由16.4GPa升至21.3GPa。不同靶材成分和溅射功率条件下沉积的TiAlSiN涂层的磨损率为（0.13～6.25）×10^-5mm^3/（N·m）,具有优良的耐磨性能。当x=0.67,溅射功率2kW时,nc-TiAlN/a-Si3N4纳米复合涂层具有最优的耐磨性能。

峰值功率对高功率脉冲磁控溅射氮化铬薄膜力学性能的影响

目的采用高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)制备力学性能优良的氮化铬薄膜。方法采用HIPIMS技术,利用铬靶及氩气、氮气,在不同峰值功率(52.44,91.52,138 k W)下沉积了氮化铬薄膜。采用X射线衍射技术(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、纳米硬度计、摩擦磨损试验机、划痕仪等评价方法,研究了峰值功率对薄膜组织结构和力学性能的影响。结果当峰值功率为52 k W时,靶材原子与离子的比值仅为5.4%,所生成氮化铬薄膜的晶粒尺寸较小,薄膜出现剥落的临界载荷为42 N,薄膜的磨损深度达到349 nm;当峰值功率提高到138 k W时,靶材原子与离子的比值为12.5%,在最大载荷100 N时,薄膜也未出现剥落,同时磨损深度仅为146 nm。结论高的峰值功率能够提高靶材原子离化率和离子对基片的轰击效应,使氮化铬薄膜晶粒重结晶而长大,消除部分应力,使薄膜表现出优良的耐磨性和韧性,因此提高靶材峰值功率可以提高氮化铬薄膜的力学性能。

基体偏压对高功率脉冲磁控溅射制备类石墨碳膜的影响研究

采用高功率脉冲磁控溅射技术于Si基底表面制备了类石墨碳膜,研究了基体偏压对薄膜沉积速率、微观结构、力学性能及摩擦学性能的影响规律。结果表明:随着基底偏压的增高,GLC薄膜sp2含量呈先减小后增加的趋势,在-100 V时达到最小值;其表面粗糙度逐渐降低;硬度和内应力逐渐增大;在基体偏压为-300 V时薄膜的摩擦性能最好,高sp2含量、高硬度和低表面粗糙度共同决定了GLC薄膜优异的摩擦学性能。

辅助阳极对高功率脉冲磁控溅射放电特性的影响

针对高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)存在的低溅射率靶材放电时离化率有待进一步提高的问题,通过增加辅助阳极的方法来提高HIPIMS的离化率。研究了辅助阳极电压、阳极位置以及磁控阳极的类型对HIPIMS放电特性的影响。结果表明:随着阳极电压的增加,基体离子电流值逐渐增大,并且当阳极电压为90 V时,基体离子电流值最高可增加到4倍。随着阳极位置由45°位置处变化为180°位置处时,由于电场在与磁场垂直方向上的分量逐渐减少,导致了基体离子电流值呈现出逐渐下降的趋势。此外,当阳极附加扩散型非平衡磁场后,获得的基体离子电流值最大。辅助阳极处于不同位置时,随着阳极电压的增加,HIPIMS放电系统中Ar^0、Ar^(1+)、V^0和V^(1+)粒子谱线强度均有不同程度的增加。当阳极处于45°位置时,各种粒子谱线强度增加最为显著。增加辅助阳极后HIPIMS放电时真空室内各个位置处的基体离子电流值均有所增加,并且当阳极处于45°位置时的增加幅度最为明显,系统等离子体密度增幅最高可增加到3倍。

氧含量对高功率脉冲磁控溅射AlCrSiON涂层高温摩擦学性能的影响

由于真空度的要求,制备氮化物涂层时将不可避免的会有氧的存在,因此了解氧元素对涂层性能的影响至关重要。采用高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)技术在Ar/N2/O2混合气氛下制备AlCrSiON涂层,研究氧含量(0%~30.4%,原子数分数)对涂层结构、力学性能和摩擦学性能的影响及作用机制。结果表明,AlCrSiN涂层由fcc-Cr N、β-Cr2N和hcp-Al N组成,AlCrSiON则由(Cr,Al)N、立方Cr2N和(Cr,Al)(O,N)组成。AlCrSiN涂层硬度为(14.3±1.8)GPa,随着氧含量增加至24.3%,涂层硬度增加至(20.1±3.0)GPa;继续增加氧含量则将导致涂层硬度下降。当环境温度由室温增加至400℃,涂层摩擦因数由0.6~0.7增加至0.9;温度升至800℃,涂层摩擦因数降至0.4。氧含量对涂层高温摩擦因数的影响较小,对涂层的磨损率却有着重要影响。当氧含量为30.4%时,AlCrSiON涂层具有最优耐磨损性能。

高功率脉冲磁控溅射氩氮比对ZrN薄膜结构及性能的影响

采用高功率复合脉冲磁控溅射的方法(HPPMS)在不锈钢基体上制备ZrN薄膜,对比DCMS方法制备的ZrN薄膜,得出HPPMS制备的薄膜表面更平整光滑、致密,既无空洞、又无大颗粒等缺陷。Ar/N对薄膜相结构及硬度、耐磨耐蚀等有较大影响。XRD结果显示,薄膜主要以ZrN(111)和ZrN(220)晶面择优生长,并呈现出多晶面竞相生长的现象。制备的ZrN薄膜的硬度最高可达33.1 GPa,同时摩擦系数小于0.2,耐腐蚀性也有很大提高,腐蚀电位比基体提高了0.27 V,腐蚀电流下降到未处理工件的1/5。存在一个合适的Ar/N比,使得制备的ZrN薄膜具有较好的耐磨性和耐腐蚀性。

高功率调制脉冲磁控溅射沉积TiAlSiN纳米复合涂层对钛合金基体抗氧化性能的影响研究

目的研究Ti6Al4V基TiAlSiN涂层在800℃下的抗循环氧化性能。方法采用高功率调制脉冲磁控溅射技术,通过调节N2/Ar的流量比fN2,在Ti6Al4V合金和Si(100)上沉积了一系列不同Si含量的TiAlSiN涂层。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、电子探针、透射电镜和纳米压痕仪,表征了TiAlSiN涂层的成分、相组成、微结构和硬度,并通过X射线衍射仪和扫描电子显微镜,进一步对Ti AlSiN涂层在800℃下循环氧化后的微观结构和形貌进行分析。结果脉冲平均功率为2k W时,fN2由10%增至30%,TiAlSiN涂层的Si含量(以原子数分数计)由6.1%增加至16.4%,涂层中Ti和Al含量则相应地降低。当fN2为10%时,TiAlSiN涂层呈现典型的X射线非晶结构特征,涂层中N含量(以原子数分数计)约为47%;当fN2为30%时,TiAlSiN涂层呈现Ti Al N和非晶相的混合结构。TEM结果表明,涂层中TiAlN晶粒尺寸约为5nm并均匀镶嵌在非晶相上。所有沉积于Si基底上的TiAlSiN涂层均具有相近的纳米硬度、弹性模量及残余应力,分别为17 GPa、225 GPa和–300 MPa。选取fN2为10%和25%,溅射具有不同氮含量和特征微结构的TiAlSiN涂层作为Ti6Al4V合金防护涂层,研究涂层的抗循环氧化性能。在800℃高温循环氧化70h后,TiAlSiN涂层保护的合金样品较原始样品呈现更优异的抗氧化性能,且fN2为25%制备的高Si含量TiAlSiN涂层较fN2为10%制备的涂层具有更为优异的抗循环氧化性能。循环氧化后,TiAlSiN氧化层结构完整致密并呈现柱状晶特征,氧化层由上至下分别形成富α-Al2O3、a-TiO2及r-TiO2三层结构。结论高Si含量的TiAlSiN涂层具有更低的氧化速率,涂层的纳米复合结构和低压缩应力是其抗循环氧化能力提高的主要原因。

高功率调制脉冲磁控溅射沉积NbN涂层特征工艺参数研究

目的研究不施加基片温度和固定Ar/N2流量比为64/16的条件下,微脉冲占空比、充电电压特征工艺参数与负偏压对NbN涂层相组成、微结构和力学性能的影响。方法采用高功率调制脉冲磁控溅射技术(MPPMS),通过控制微脉冲占空比、充电电压和负偏压等特征工艺参数,沉积一系列具有不同相组成的NbN涂层,通过X射线衍射仪、纳米压痕仪和维氏硬度计,分别表征NbN涂层的相组成、结构、硬度和韧性,并通过扫描电子显微镜(SEM)对NbN生长形貌和压痕形貌进行观察分析。结果改变微脉冲占空比和充电电压,所有NbN涂层均由δ-NbN和δ.-NbN组成,施加基片偏压后,NbN涂层主要由δ.-NbN组成。所有的NbN涂层均呈现致密柱状晶结构,且提高微脉冲占空比、充电电压和负偏压,制备的NbN涂层均更加致密。随微脉冲占空比升高,涂层硬度由25GPa增至36GPa,涂层的韧性逐渐增加。提高充电电压制备的NbN涂层,其表现出与控制微脉冲占空比制备的涂层相似的规律。施加负偏压后,涂层主要由δ.-NbN组成,涂层的硬度和韧性均下降。结论两相结构和高致密性是使NbN涂层硬度和韧性同时增强的主要因素。

基体偏压对高功率脉冲磁控溅射制备CrAlN薄膜性能的影响

为了防止氢扩散导致金属材料的失效,通常在其表面制备一层CrN阻氢薄膜。但是CrN涂层的热稳定性较差,抗氧化温度低于600℃。采用高功率脉冲磁控溅射技术,利用Cr和Al双靶共沉积CrAlN薄膜来提高其高温抗氧化性能。试验变量为基体负偏压的大小,分别为-100 V、-200 V、-300 V和-400 V。结果表明,四组CrAlN薄膜均为柱状晶结构,随着基体偏压提高,膜层的致密度提高,但同时薄膜沉积速率下降;CrAlN薄膜的择优生长方向为Cr(200)晶面法线方向。四组CrAlN薄膜的氢抑制率均超过70%,氢原子扩散系数最低比316L不锈钢基体低3个数量级。当基体偏压为-300 V时,可以同时获得最优的氢抑制率(87.4%)和最低的氢原子扩散系数(6.188×10^(-10)cm^(2)/s)。600℃、氧气气氛下保温60 min,CrAlN膜基结合面处氧含量仅为表面处的30%左右。相比于CrN薄膜,在相同基体偏压下,CrAlN薄膜的氢原子扩散系数更小;高偏压下制备的CrAlN薄膜氧增重量仅为316L不锈钢基体的10%,抗氧化性能更好。

基体偏压对高功率脉冲磁控溅射CrN薄膜结构及阻氢性能的影响

氢在金属材料中主要做原子扩散,而在陶瓷材料中主要做分子扩散,因此渗透率相对于金属材料比较低,因此可以通过在金属材料表面溅射一层陶瓷薄膜,降低氢的扩散系数,从而起到保护基体材料的效果。本文采用高功率脉冲磁控溅射技术在316L不锈钢基体上溅射CrN薄膜。Cr靶外加直流复合脉冲式HiPIMS电源,控制基体偏压分别为100、200、300和400V,时间为60 min,四组CrN薄膜的渗氢抑制率均超过75%,最高可达94.8%,氢原子扩散系数最高可比316L不锈钢基体低3个数量级。此外,针对高温时氮化物薄膜会因为发生氧化反应生成其他化合物而导致薄膜阻氢性能下降的问题,本文在600℃、纯氧气气氛下验证薄膜的高温抗氧化性。结果表明本文制备的CrN阻氢薄膜在相同条件下氧的增重量仅为316L不锈钢基体的50%,本身具备优良的抗氧化性能。

高功率脉冲磁控溅射钛靶材的放电模型及等离子特性

等离子密度及金属离化率是影响高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜质量的关键因素,高功率脉冲磁控溅射参数(如电压、脉宽、沉积气压及峰值电流等)影响着等离子密度和金属离化率.本文利用MATLAB/SIMULINK建立等效电路模型,对高功率脉冲磁控溅射钛(Ti)靶材的放电电流曲线进行模拟,利用鞘层电阻计算Ti靶材鞘层处的等离子密度,并采用半圆柱体-整体模型理论计算Ti的离化率.研究发现:采用由电容、电感和电阻组成的等效电路模型,可以模拟Ti靶材的放电电流;在不同高功率脉冲溅射电压、脉冲宽度和不同沉积气压下,真空室等离子密度在2×10^(17)-9×10^(17)m^(-3)范围内,随着溅射电压、脉冲宽度及沉积气压的增加,鞘层处的平均等离子密度增大;在不同沉积气压下,Ti的离化率值在31%-38%之间,随着气压增加,Ti的离化率增加.

工作参数对磁场增强高功率脉冲磁控溅射放电特性的影响

研究磁场增强高功率脉冲磁控溅射技术的放电特性在不同工作参数下的演变规律。利用数字示波器采集Hi PIMS的基体离子电流用于表征其放电特性的变化。结果表明:靶放电电压不同时基体离子电流对工作气压的响应不同,较低靶电压时基体离子电流平均值随工作气压的增加逐渐增加;而较高靶电压时基体离子电流平均值随工作气压增加迅速增加后趋于稳定。基体离子电流随基体偏压的变化表现出两个特征,较低基体偏压时的基体离子电流在脉冲开始阶段呈现出较强的电子流波段,而基体偏压较高时则未出现电子流。不同脉冲频率及靶电压下的基体离子电流的波形形状大致相似,但当处于较高靶电压时存在一个明显特征,即当脉冲结束后离子流会出现一个尖锐峰值。随脉冲宽度的增加,基体离子电流负向电子流和正向离子流均逐渐增大。

高功率脉冲磁控溅射制备金属氮化物涂层

高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)作为目前研究热门的物理气相沉积方法之一,已经在刀具材料、不锈钢、聚合物、复合材料等基体上实现硬质涂层、生物涂层、耐腐蚀涂层、耐高温氧化涂层、绝缘涂层等多种类型涂层制备。通过高功率脉冲磁控溅射与复合方法及后续热处理等工艺方法复合,调节高功率脉冲磁控溅射的脉冲频率、峰值功率、占空比、多脉冲和双极性实现对靶材离化率、等离子体空间分布、涂层沉积速率、相结构、微观结构、元素成分、内应力等等离子体参数和涂层物相结构的调整,以提高基体材料的硬度、耐磨损、耐腐蚀、耐高温氧化及生物相容性等综合使役性能。特别是在应用于金属氮化物涂层的制备及性能研究方面,具有巨大的工程应用价值。结合目前硬质涂层材料的应用现状,探讨高功率脉冲溅射技术沉积涂层的特性和技术优势,介绍20多年来高功率脉冲磁控溅射技术在制备单元单层、多元多层、纳米多层与多元复合、高熵合金及含Si、O、C等金属氮化物硬质涂层工艺及性能等方面应用的研究进展。