Ni基和Au基金属玻璃薄膜的结构与性能研究
发布时间：2021-04-11 07:32
金属玻璃又称非晶合金,由于其长程无序结构,使得金属玻璃在性能上相比晶体具有更突出的表现,比如高强度、高弹性极限等。随着微电子器件的发展,对材料微型化要求越来越高,所以金属玻璃为适应微型器件的应用,也发展出独特的金属玻璃薄膜。金属玻璃薄膜由于尺寸小,在塑性变形方面表现得更加优异,它也可作为耐高温耐磨损和抗氧化的涂层,同时还可兼备一些功能性特征,例如高反射率。要研究出性能独特的金属玻璃薄膜就必须能够调控其结构,故本论文选用Ni-Nb为研究对象,探究了基底温度对Ni-Nb金属玻璃薄膜结构与性能的影响,揭示了其结构随基底温度变化的机理,同时利用结构变化解释了 Ni-Nb金属玻璃薄膜的性能改善。此外,还选用Au-Cu-Si为研究对象,探究了薄膜厚度对Au-Cu-Si金属玻璃薄膜结构与性能的影响,分析了 Au-Cu-Si金属玻璃薄膜生长过程中的动力学粗化规律,研究了其光学性能和变形模式转变。主要结论如下:（1）通过控制磁控溅射仪器的基底温度,在293 K-823 K的温度范围内制备出Ni-Nb金属玻璃薄膜。利用扫描电镜观察其断面形貌均为柱状结构,表面形貌为颗粒状结构。同时发现在较低基底温度下,薄膜...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
磁控溅射原理图
第一章绪论5图1.2Bernal多面体及孔洞：(a)四面体，(b)正八面体，(c)四方十二面体，(d)三角棱柱且上面有三个半八面体，(e)阿基米德反棱柱且上面有两个半八面体。每个多面体右侧显示中心的孔(紫红色球体的半径对应于孔的大小)[33]。Fig.1.2(a)tetrahedron(b)octahedron(c)tetragonaldodecahedron(d)trigonalprismcappedwiththreehalfoctahedra(e)Archimedeanantiprismcappedwithtwohalfoctahedra.Ineachpanel,theleftfigureshowsthehardspherepackingsurroundingthehole,andtherightfigureshowstheholeinthecenter(theradiusofthepinkspherecorrespondstothesizeofthehole)[33].非晶团簇模型提出了金属玻璃的基本单元是Voronoi多面体[35-39]，这种多面体是以某个球为中心与最近邻的球心连线，由这些连线的垂直平分面所围成的多面体，如图1.3所示。研究指出，构成金属玻璃的原子和其近邻原子间同时存在着拓扑连接和化学相互作用，即原子间可以形成具有一定几何尺寸和对称性的多面体原子团簇。各种各样的团簇作为金属玻璃的基本单元，相互紧密堆垛排列，呈现出长程的无序性。团簇一般是原子数大于10的大型多面体，包括二十面体，阿基米德三棱柱等。团簇的种类丰富，相互之间可以通过共点，共线，共面甚至穿插等方式进行连接，从而可以更好地传达金属玻璃的微结构的信息，但是也存在着团簇间联结区的原子排列不易确定的问题。同时对于金属玻璃薄膜，最初形成的原子团有可能就是符合这种团簇模型。1.3.1.2金属玻璃薄膜的形貌结构金属玻璃薄膜在实验上表现的表面形貌结构一般为颗粒状的团簇或小颗粒，而断面形貌表现为柱状结构或脉状结构。在研究过程中发现，这些金属玻璃薄膜的结构与制备条件、元素成分有着紧密的联系。例如，Liu等人通过控
浙江大学硕士学位论文6图1.3(a)Voronoi多面体，它由3个四边形面，6个5边形面组成，其维式指数(Voronoiindex)是<0,3,6,0>。(b)用Voronoi多面体拼砌成的非晶的三维结构[33]。Fig.1.3(a)Voronoipolyhedron,whichiscomposedofthreequadrilateralfacesandsixfive-sidedfaces,anditsVoronoiindexis<0,3,6,0>.(b)Anamorphousthree-dimensionalstructureassembledbyaVoronoipolyhedron[33].貌为较为平坦的无特征的结构，表面形貌为较为平整且有较小而模糊的颗粒；随着气压增加到1Pa时，断面形貌为尺寸较小的柱状结构，表面形貌为较小且清晰的颗粒；气压进一步增加到3Pa时，断面形貌为尺寸较大的柱状结构，表面形貌为大小不一的团簇结构[40]。Chuang等人研究了通过添加N2成分来改变Zr-Ni-Al-Si金属玻璃薄膜的形貌，发现N2成分为0或是添加至最高时，断面形貌为无特征结构，而N2在这区间内时，断面形貌均为柱状结构，只是尺寸不一样。人们除了研究Zr基金属玻璃薄膜，对其它体系的也有研究[41]。Denis等人研究过Ar气压对Au-Cu-Pd-Ag-Si金属玻璃薄膜形貌的影响，在Ar气压低（0.4Pa，4Pa）时，断面形貌展现出脉状结构，而表面形貌在0.4Pa时为平坦无特征的表面，在4Pa时为粒径较大的颗粒状结构；在Ar气压高（10Pa）时，断面为明显的柱状结构，表面形貌为粒径较小的颗粒状结构[42]。从中我们可以看到，对金属玻璃薄膜结构的影响并不是单一的，一样的影响因素对于不同体系的影响也是不一样的，这种对结构的影响更像是各种因素的竞争导致的。对于金属玻璃薄膜的结构在理论上也有研究，Almyras等人选择较为简单的Cu-Zr二元体系，通过分子动力学模拟发现薄膜中存在大量二十面体团簇结构，正是由于这种结构的存在阻碍了形核的发生[43]。金属玻?
本文编号：3130846
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
磁控溅射原理图
第一章绪论5图1.2Bernal多面体及孔洞：(a)四面体，(b)正八面体，(c)四方十二面体，(d)三角棱柱且上面有三个半八面体，(e)阿基米德反棱柱且上面有两个半八面体。每个多面体右侧显示中心的孔(紫红色球体的半径对应于孔的大小)[33]。Fig.1.2(a)tetrahedron(b)octahedron(c)tetragonaldodecahedron(d)trigonalprismcappedwiththreehalfoctahedra(e)Archimedeanantiprismcappedwithtwohalfoctahedra.Ineachpanel,theleftfigureshowsthehardspherepackingsurroundingthehole,andtherightfigureshowstheholeinthecenter(theradiusofthepinkspherecorrespondstothesizeofthehole)[33].非晶团簇模型提出了金属玻璃的基本单元是Voronoi多面体[35-39]，这种多面体是以某个球为中心与最近邻的球心连线，由这些连线的垂直平分面所围成的多面体，如图1.3所示。研究指出，构成金属玻璃的原子和其近邻原子间同时存在着拓扑连接和化学相互作用，即原子间可以形成具有一定几何尺寸和对称性的多面体原子团簇。各种各样的团簇作为金属玻璃的基本单元，相互紧密堆垛排列，呈现出长程的无序性。团簇一般是原子数大于10的大型多面体，包括二十面体，阿基米德三棱柱等。团簇的种类丰富，相互之间可以通过共点，共线，共面甚至穿插等方式进行连接，从而可以更好地传达金属玻璃的微结构的信息，但是也存在着团簇间联结区的原子排列不易确定的问题。同时对于金属玻璃薄膜，最初形成的原子团有可能就是符合这种团簇模型。1.3.1.2金属玻璃薄膜的形貌结构金属玻璃薄膜在实验上表现的表面形貌结构一般为颗粒状的团簇或小颗粒，而断面形貌表现为柱状结构或脉状结构。在研究过程中发现，这些金属玻璃薄膜的结构与制备条件、元素成分有着紧密的联系。例如，Liu等人通过控
浙江大学硕士学位论文6图1.3(a)Voronoi多面体，它由3个四边形面，6个5边形面组成，其维式指数(Voronoiindex)是<0,3,6,0>。(b)用Voronoi多面体拼砌成的非晶的三维结构[33]。Fig.1.3(a)Voronoipolyhedron,whichiscomposedofthreequadrilateralfacesandsixfive-sidedfaces,anditsVoronoiindexis<0,3,6,0>.(b)Anamorphousthree-dimensionalstructureassembledbyaVoronoipolyhedron[33].貌为较为平坦的无特征的结构，表面形貌为较为平整且有较小而模糊的颗粒；随着气压增加到1Pa时，断面形貌为尺寸较小的柱状结构，表面形貌为较小且清晰的颗粒；气压进一步增加到3Pa时，断面形貌为尺寸较大的柱状结构，表面形貌为大小不一的团簇结构[40]。Chuang等人研究了通过添加N2成分来改变Zr-Ni-Al-Si金属玻璃薄膜的形貌，发现N2成分为0或是添加至最高时，断面形貌为无特征结构，而N2在这区间内时，断面形貌均为柱状结构，只是尺寸不一样。人们除了研究Zr基金属玻璃薄膜，对其它体系的也有研究[41]。Denis等人研究过Ar气压对Au-Cu-Pd-Ag-Si金属玻璃薄膜形貌的影响，在Ar气压低（0.4Pa，4Pa）时，断面形貌展现出脉状结构，而表面形貌在0.4Pa时为平坦无特征的表面，在4Pa时为粒径较大的颗粒状结构；在Ar气压高（10Pa）时，断面为明显的柱状结构，表面形貌为粒径较小的颗粒状结构[42]。从中我们可以看到，对金属玻璃薄膜结构的影响并不是单一的，一样的影响因素对于不同体系的影响也是不一样的，这种对结构的影响更像是各种因素的竞争导致的。对于金属玻璃薄膜的结构在理论上也有研究，Almyras等人选择较为简单的Cu-Zr二元体系，通过分子动力学模拟发现薄膜中存在大量二十面体团簇结构，正是由于这种结构的存在阻碍了形核的发生[43]。金属玻?
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