金属掺杂氮化铌薄膜的制备及其特性研究

发布时间：2020-05-29 09:20

【摘要】：氮化铌(NbN)薄膜是一种硬质过渡金属氮化物(TMN)薄膜,具有高硬度,高耐磨性,高熔点和高化学稳定性等优点,其在金属切削和保护涂层等方面具有广泛的应用。本文采用射频磁控溅射技术制备了未掺杂和金属掺杂的NbN薄膜。利用X射线衍射(XRD),能量色散X射线光谱(EDX),扫描电子显微镜(SEM),纳米压痕仪,高温摩擦磨损实验机分别对NbN薄膜的微观结构,组成成分,表面形貌,机械和摩擦学性能进行了研究。首先,采用射频磁控溅射技术制备了未掺杂的NbN薄膜。XRD测试结果表明,在衬底温度低于300℃的情况下,NbN薄膜没有明显的衍射峰,薄膜结晶性较差;当衬底温度升高到500℃,NbN薄膜沿(200)方向具有良好的生长趋势,薄膜结晶质量良好;随着氩气与氮气比率的降低,薄膜的结晶性逐渐增强,在氩氮比为20:4时,(200)方向衍射峰最高,薄膜结晶性最好;溅射压强也对薄膜的结晶性有较大的影响,随着压强的降低,薄膜的结晶性逐渐增强,在压强为0.4 Pa时具有最好的结晶性;通过改变溅射功率我们得知,随着溅射功率的增加,薄膜的结晶性逐渐增强。最佳结晶性的NbN薄膜的硬度仅为5.3 GPa,具有较高的摩擦系数,其值为0.73,磨损率较高达到3.3×10~(-6) mm~3/Nmm。其次,采用射频和直流磁控共溅射技术制备了 Ti掺杂NbN(Ti:NbN)三元薄膜以及Y-Ti共掺杂NbN(Y-Ti:NbN)四元薄膜。XRD测试结果表明,随着Ti掺杂功率从15 W逐渐升高到40 W,(200)方向的衍射峰强度先增加后下降,薄膜的结晶性先增加后降低。当掺杂功率为20 W时,衍射峰强度最大,薄膜的结晶性最好。随着掺杂功率增加,薄膜的硬度先增大后减小,在掺杂功率为30 W时具有最大的硬度值20.4 GPa。摩擦系数逐渐下降,而磨损率表现出相同的下降趋势。对于N bN(Y-Ti:NbN)四元薄膜,在掺杂功率为30 W时具有最大硬度,达到25.3 GPa,而摩擦系数随掺杂功率的增加呈现出逐渐下降的趋势,在掺杂功率为40 W时具有最小的摩擦系数0.29,此时的磨损率为2.38 × 10~6 mm~3/Nmm。除此之外,通过三元Ti:NbN薄膜与四元Y-Ti:NbN薄膜的性质对比,表明适量Y的掺入能够有效地提高NbN薄膜的机械及摩擦学性能。
【图文】：

示意图,晶体结构,氮化铌,示意图

第一章绪论逡逑ｂＮ的基本特性逡逑铌（ＮｂＮ）属于典型的氯化钠型晶体结构，立方相氮化铌的晶体结构氮化铌薄膜包括面心立方，四方晶相，六方晶相，各个结构的特性。在诸多ＮｂＮ结构中，立方氮化铌表现出优异的特性。因此，本论为立方氮化铌。从晶体结构示意图可以看出，氮原子位于六个等距中心，同样，铌原子也位于六个等距离的氮原子中心，属于典型的。逡逑

示意图,磁控溅射,衍射过程,干涉作用

图２．２：邋ＸＲＤ晶体衍射示意图逡逑而发生干涉作用，在衍射过程中满足布拉格衍射方程％１：逡逑２ｄ邋ｓｉｎ邋９邋＝邋ｎ＼邋，逦（２．１）逡逑其中Ａ为Ｘ射线波长，０为布拉格角，ｎ取整数为衍射级数（ｎ＝ｌ，２，，邋３．．．）。逡逑７逡逑
【学位授予单位】：延边大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TQ135.12

【参考文献】