具有优良隔热和力学性能的低热导率W/Al 2 O 3 纳米多层功能膜的构建
发布时间：2022-01-12 06:55
本研究以高纯W与Al2O3为靶材,在常温下采用磁控溅射法在钠钙硅玻璃表面交替镀制了W及Al2O3纳米多层膜。在多层膜总厚度相同的条件下,研究了不同W/Al2O3周期厚度对隔热性能的影响。采用台阶仪、扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、场发射透射电镜（TEM）等对多层膜的形貌及结构进行了表征。采用瞬态热反射法（TTR）、纳米压痕仪分别分析了多层膜的隔热性能和力学性能。结果表明,实验沉积的多层膜中各单层均匀连续,不存在断层现象,且层间界面清晰。Al2O3膜层呈非晶形态,W膜层具有亚稳态β-W（210）的择优取向,并在周期厚度为5 nm时呈现明显的非晶态。随着膜层界面密度的增大,多层膜的热阻增大,热导率减小,硬度增大。周期厚度为5 nm、膜层数为41层的W/Al2O3多层膜具有较为优异的隔热性能与力学性能,其热阻为3. 14×10-7m2·K·W...
【文章来源】：材料导报. 2020,34(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
总厚度相同、周期厚度不同的W/Al2O3多层膜的(a)热阻和(b)热导率随层界面密度变化图
薄膜与基体的界面结合力是决定薄膜可靠性和使用寿命的重要因素[43]。采用划痕法对多层膜与玻璃衬底间的结合强度进行了研究。图6为λ=5 nm的W/Al2O3多层膜的划痕实验曲线。在划痕法中，用完全划透薄膜并使之从基体上连续剥离所需要的最小载荷(即临界载荷)来表征膜基结合力，而临界载荷即为摩擦力(Ff)曲线斜率突然增大时所对应的压力。由图6可知，多层膜的膜/基结合力为(42.20±0.25)m N。图7a为λ=5 nm的W/Al2O3多层膜的截面SEM图。由图7a可见，多层膜表面均匀平整，膜层结构紧密，与衬底间的界面干净清晰，不存在薄膜的脱落与翘起，多层膜与衬底的结合较好。图7b为多层膜的划痕形貌，当载荷较小时划痕内部光滑且宽度较窄，薄膜的破坏主要是轻微塑性变形。当载荷高于临界载荷时，划痕内部薄膜开始出现剥离，但未见脱层，划痕宽度明显变宽，薄膜的塑性变形显著增大。此外，划痕两侧并未出现薄膜的明显开裂或分层，在整个划擦过程中也未观察到薄膜的脱落，表明多层膜与基体的结合较好。
图1a为单层Al2O3膜的GIXRD谱。由图1a可见，沉积所得的Al2O3膜呈非晶形态。采用常规溅射法制备Al2O3薄膜时，不对形核表面做任何特别处理，在衬底温度低于400℃时，Al2O3薄膜表面层原子不具有足够的能量以迁移运动到正常晶格位[17-20]。W/Al2O3多层膜的周期厚度λ是影响其物理性能的重要参数，图1b为不同周期厚度的W/Al2O3纳米多层膜的GIXRD谱。衍射图谱中以2θ=39.9°为中心的峰是亚稳态β-W(210)择优取向衍射峰[21-22]。研究表明，在不对衬底做任何特别处理(如施加偏压)的情况下，增大沉积压力有利于生成β构型[22-26]。当沉积功率足够低时，在低压沉积过程中就能观察到形成的β相[23]，此后增大沉积压力所得的W膜以亚稳态β-W相为主[21,23,27]。因此，本实验沉积所得的W膜均由β-W相组成。随多层膜的周期厚度减小，β-W(210)峰逐渐宽化，表明膜中W的晶粒尺寸逐渐减小，可能是W膜的低横向生长速率与高成核速率所致[28]。在Al2O3膜上沉积W膜时，Al2O3膜上的Al、O等原子会吸附W原子，使其原子迁移率降低，W晶核无法快速长大;同时W的成核速率快，导致沉积的W膜晶粒尺寸很小。此外，随着W单层厚度减的小，进一步限制了W晶粒的生长。当周期厚度减小至5 nm(W单层厚度约为2.5 nm)时，多层膜中的W呈现明显的非晶态。通过Scherrer公式计算得到W层中的平均晶粒尺寸约为1.9 nm，接近W层厚度。由于磁控溅射法在镀制2.5 nm以下的膜时厚度控制没有原子层沉积好，因此本工作只研究周期厚度在5 nm以上的多层膜。使用聚焦离子束(FIB)刻蚀多层薄膜的截面，通过透射电镜观察了薄膜的多层结构及界面。图2a为λ=10 nm的W/Al2O3多层膜(总膜厚为116 nm，共21层)的截面TEM明场像和选区电子衍射(SAED)图。从图2a可以看出，衬底及各膜层间的衬度对比明显，界面清晰，清楚地呈现出两种薄膜的周期结构。各膜层均匀连续，不存在断层现象，且所有的Al2O3层和W层的厚度都比较接近。此外，从第3周期开始，薄膜界面在横向上存在微弱的波动，且随着周期数目的增加，膜层起伏波动也略有加剧，这可能是各个周期中粗糙度累积造成的[29-30]。尽管W层是β-W相，但由于晶粒尺寸很小，且Al2O3层为非晶态，因此样品的SAED显示为有些宽化的多个衍射环。此外，对应于β-W(210)面的衍射环清晰可见。图2b为膜界面的高分辨图，可以看出Al2O3膜层厚度约5.8 nm,W膜层厚度约4.9 nm，且W/Al2O3纳米多层膜界面明晰。其中，W膜层中可观察到明显的晶格条纹，测得晶面间距为0.225 nm，对应于β-W(JCPDS NO.47-1319)相的(210)晶面。
【参考文献】：
期刊论文
[1]多层隔热材料的研究进展[J]. 王苗,冯军宗,姜勇刚,张忠明,冯坚. 材料导报. 2016(S2)
[2]调幅W（Mo）/Cu纳米多层膜He+离子辐照响应行为[J]. 植超虎,刘波,任丁,杨斌,林黎蔚. 物理学报. 2013(15)
[3]多层隔热材料传热特性研究现状及展望[J]. 李德富,杨炜平,刘小旭. 航天器环境工程. 2013(03)
[4]隔热材料研究现状及发展趋势[J]. 施伟,谭毅,曹作暄. 材料导报. 2012(S1)
[5]轻质隔热材料的研究现状及其发展趋势[J]. 李庆彬,潘志华. 硅酸盐通报. 2011(05)
[6]α-W膜在单晶硅基片上的共格生长及其力电性能的膜厚效应[J]. 刘明霞,胡永锋,马飞,徐可为. 金属学报. 2008(05)
[7]划痕试验法对特殊薄膜系结合力的检测与评价[J]. 华敏奇,袁振海. 分析测试技术与仪器. 2002(04)
[8]陶瓷窑炉热工理论研究进展的回顾与瞻望[J]. 高力明. 中国陶瓷工业. 2001(01)
博士论文
[1]磁控溅射氧化铝薄膜的低温晶化及铜（钼）/氧化铝纳米多层膜的性能研究[D]. 张小朋.哈尔滨工业大学 2013
[2]薄膜热导率的测试与分子动力学模拟研究[D]. 黄正兴.大连理工大学 2007
硕士论文
[1]低导热纳米氧化硅隔热材料的制备及性能研究[D]. 张世超.中国建筑材料科学研究总院 2015
[2]低热导复合隔热材料的制备研究[D]. 李涛.武汉理工大学 2011
本文编号：3584319
【文章来源】：材料导报. 2020,34(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
总厚度相同、周期厚度不同的W/Al2O3多层膜的(a)热阻和(b)热导率随层界面密度变化图
薄膜与基体的界面结合力是决定薄膜可靠性和使用寿命的重要因素[43]。采用划痕法对多层膜与玻璃衬底间的结合强度进行了研究。图6为λ=5 nm的W/Al2O3多层膜的划痕实验曲线。在划痕法中，用完全划透薄膜并使之从基体上连续剥离所需要的最小载荷(即临界载荷)来表征膜基结合力，而临界载荷即为摩擦力(Ff)曲线斜率突然增大时所对应的压力。由图6可知，多层膜的膜/基结合力为(42.20±0.25)m N。图7a为λ=5 nm的W/Al2O3多层膜的截面SEM图。由图7a可见，多层膜表面均匀平整，膜层结构紧密，与衬底间的界面干净清晰，不存在薄膜的脱落与翘起，多层膜与衬底的结合较好。图7b为多层膜的划痕形貌，当载荷较小时划痕内部光滑且宽度较窄，薄膜的破坏主要是轻微塑性变形。当载荷高于临界载荷时，划痕内部薄膜开始出现剥离，但未见脱层，划痕宽度明显变宽，薄膜的塑性变形显著增大。此外，划痕两侧并未出现薄膜的明显开裂或分层，在整个划擦过程中也未观察到薄膜的脱落，表明多层膜与基体的结合较好。
图1a为单层Al2O3膜的GIXRD谱。由图1a可见，沉积所得的Al2O3膜呈非晶形态。采用常规溅射法制备Al2O3薄膜时，不对形核表面做任何特别处理，在衬底温度低于400℃时，Al2O3薄膜表面层原子不具有足够的能量以迁移运动到正常晶格位[17-20]。W/Al2O3多层膜的周期厚度λ是影响其物理性能的重要参数，图1b为不同周期厚度的W/Al2O3纳米多层膜的GIXRD谱。衍射图谱中以2θ=39.9°为中心的峰是亚稳态β-W(210)择优取向衍射峰[21-22]。研究表明，在不对衬底做任何特别处理(如施加偏压)的情况下，增大沉积压力有利于生成β构型[22-26]。当沉积功率足够低时，在低压沉积过程中就能观察到形成的β相[23]，此后增大沉积压力所得的W膜以亚稳态β-W相为主[21,23,27]。因此，本实验沉积所得的W膜均由β-W相组成。随多层膜的周期厚度减小，β-W(210)峰逐渐宽化，表明膜中W的晶粒尺寸逐渐减小，可能是W膜的低横向生长速率与高成核速率所致[28]。在Al2O3膜上沉积W膜时，Al2O3膜上的Al、O等原子会吸附W原子，使其原子迁移率降低，W晶核无法快速长大;同时W的成核速率快，导致沉积的W膜晶粒尺寸很小。此外，随着W单层厚度减的小，进一步限制了W晶粒的生长。当周期厚度减小至5 nm(W单层厚度约为2.5 nm)时，多层膜中的W呈现明显的非晶态。通过Scherrer公式计算得到W层中的平均晶粒尺寸约为1.9 nm，接近W层厚度。由于磁控溅射法在镀制2.5 nm以下的膜时厚度控制没有原子层沉积好，因此本工作只研究周期厚度在5 nm以上的多层膜。使用聚焦离子束(FIB)刻蚀多层薄膜的截面，通过透射电镜观察了薄膜的多层结构及界面。图2a为λ=10 nm的W/Al2O3多层膜(总膜厚为116 nm，共21层)的截面TEM明场像和选区电子衍射(SAED)图。从图2a可以看出，衬底及各膜层间的衬度对比明显，界面清晰，清楚地呈现出两种薄膜的周期结构。各膜层均匀连续，不存在断层现象，且所有的Al2O3层和W层的厚度都比较接近。此外，从第3周期开始，薄膜界面在横向上存在微弱的波动，且随着周期数目的增加，膜层起伏波动也略有加剧，这可能是各个周期中粗糙度累积造成的[29-30]。尽管W层是β-W相，但由于晶粒尺寸很小，且Al2O3层为非晶态，因此样品的SAED显示为有些宽化的多个衍射环。此外，对应于β-W(210)面的衍射环清晰可见。图2b为膜界面的高分辨图，可以看出Al2O3膜层厚度约5.8 nm,W膜层厚度约4.9 nm，且W/Al2O3纳米多层膜界面明晰。其中，W膜层中可观察到明显的晶格条纹，测得晶面间距为0.225 nm，对应于β-W(JCPDS NO.47-1319)相的(210)晶面。
【参考文献】：
期刊论文
[1]多层隔热材料的研究进展[J]. 王苗,冯军宗,姜勇刚,张忠明,冯坚. 材料导报. 2016(S2)
[2]调幅W（Mo）/Cu纳米多层膜He+离子辐照响应行为[J]. 植超虎,刘波,任丁,杨斌,林黎蔚. 物理学报. 2013(15)
[3]多层隔热材料传热特性研究现状及展望[J]. 李德富,杨炜平,刘小旭. 航天器环境工程. 2013(03)
[4]隔热材料研究现状及发展趋势[J]. 施伟,谭毅,曹作暄. 材料导报. 2012(S1)
[5]轻质隔热材料的研究现状及其发展趋势[J]. 李庆彬,潘志华. 硅酸盐通报. 2011(05)
[6]α-W膜在单晶硅基片上的共格生长及其力电性能的膜厚效应[J]. 刘明霞,胡永锋,马飞,徐可为. 金属学报. 2008(05)
[7]划痕试验法对特殊薄膜系结合力的检测与评价[J]. 华敏奇,袁振海. 分析测试技术与仪器. 2002(04)
[8]陶瓷窑炉热工理论研究进展的回顾与瞻望[J]. 高力明. 中国陶瓷工业. 2001(01)
博士论文
[1]磁控溅射氧化铝薄膜的低温晶化及铜（钼）/氧化铝纳米多层膜的性能研究[D]. 张小朋.哈尔滨工业大学 2013
[2]薄膜热导率的测试与分子动力学模拟研究[D]. 黄正兴.大连理工大学 2007
硕士论文
[1]低导热纳米氧化硅隔热材料的制备及性能研究[D]. 张世超.中国建筑材料科学研究总院 2015
[2]低热导复合隔热材料的制备研究[D]. 李涛.武汉理工大学 2011
本文编号：3584319
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/gongchengguanli/3584319.html
