基于稳定固溶体团簇模型的含氮铜合金薄膜
发布时间：2021-06-11 04:08
目的制备结构和性能稳定的含氮铜合金薄膜,提高铜合金的硬度。方法基于稳定固溶体团簇模型在Cu-Ni基合金成分设计方面的研究,进一步利用Nb与N相对较大的负混合焓以及Ni的作用,将N带入Cu中,达到稳定N的目的。采用磁控溅射方法在N2/Ar比为1/30的气氛中制备了Si（100）基Cu-Ni-Nb-N四元合金薄膜和参比样品,并通过电子探针、X射线衍射仪和透射电子显微镜分别分析了薄膜的成分、结构和膜-基界面,采用双电测四探针测量仪和超轻微载荷努氏硬度计测量了薄膜的电阻率和硬度。结果与Cu（N）薄膜相比,四元合金薄膜具有更好的结构稳定性和更高的硬度。溅射态时,四元薄膜由铜的纳米柱状晶和少量NbN组成,硬度均在5 GPa左右。550℃/1 h退火后,薄膜致密度好,部分N能以NbN化合物的形式稳定存在于薄膜中,大部分薄膜的硬度在3 GPa以上,并且具有较好的导电性。结论采用稳定固溶体团簇模型选择固氮元素,能够制备出综合性能较好的含氮铜合金薄膜,为其进一步用于铜及其合金的表面改性奠定了基础。
【文章来源】：表面技术. 2020,49(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
不同Ni/Nb比的Cu-Ni-Nb-N合金薄膜和参比样品纯铜、Cu(N)电阻率随退火温度的变化规律
图1 不同Ni/Nb比的Cu-Ni-Nb-N合金薄膜和参比样品纯铜、Cu(N)电阻率随退火温度的变化规律前文提到，Cu-N分解的温度范围是100～470℃，因此退火温度高于470℃时，固溶的氮绝大部分会从薄膜中释放出来，因此对于高于分解温度处理的薄膜，其结构和性能需要更深入的分析。但XRD结果显示，部分样品在600℃/1 h退火后出现了界面扩散，所以接下来将着重分析550℃/1 h退火后的薄膜。图3为该条件下处理的参比样品Cu(N)的TEM形貌和膜基界面。由图3a可知，Cu(N)薄膜中出现了很多纳米级的孔洞，这主要是因为退火温度达到550℃时，超过了Cu-N化合物的分解温度，薄膜中固溶的氮释放出来，导致宏观上薄膜的疏松多孔。从图3b可知，膜基界面处已经产生了倒三角形的Cu3Si相，该相附近的薄膜均从基底上分离。类似的Cu-Si互扩散现象也有报道[22]，且与文献[18,21,23]报道的铜合金相比，在铜中直接添加氮元素，对薄膜稳定的提高作用不大。
前文提到，Cu-N分解的温度范围是100～470℃，因此退火温度高于470℃时，固溶的氮绝大部分会从薄膜中释放出来，因此对于高于分解温度处理的薄膜，其结构和性能需要更深入的分析。但XRD结果显示，部分样品在600℃/1 h退火后出现了界面扩散，所以接下来将着重分析550℃/1 h退火后的薄膜。图3为该条件下处理的参比样品Cu(N)的TEM形貌和膜基界面。由图3a可知，Cu(N)薄膜中出现了很多纳米级的孔洞，这主要是因为退火温度达到550℃时，超过了Cu-N化合物的分解温度，薄膜中固溶的氮释放出来，导致宏观上薄膜的疏松多孔。从图3b可知，膜基界面处已经产生了倒三角形的Cu3Si相，该相附近的薄膜均从基底上分离。类似的Cu-Si互扩散现象也有报道[22]，且与文献[18,21,23]报道的铜合金相比，在铜中直接添加氮元素，对薄膜稳定的提高作用不大。图4是溅射态和550℃/1 h退火后Cu97.65Ni0.42Nb0.05N1.85薄膜的TEM形貌和膜区的选区电子衍射花样。溅射薄膜的形貌（图4a）显示，薄膜由柱状晶组成，其尺寸为几纳米到十几纳米，明显小于不添加氮元素时柱状晶的尺寸（～20 nm)[18,22]。由溅射态薄膜对应的选取电子衍射花样也可知，薄膜主要由铜的纳米晶以及少量的NbN纳米晶组成。
【参考文献】：
期刊论文
[1]水平连铸结晶器铜合金内套表面强化工艺及性能研究[J]. 洪昌,朱才进,谢春生,肖鸿光. 热加工工艺. 2011(14)
[2]结晶器铜板镀层剥落原因分析及改进[J]. 祁文华. 梅山科技. 2010(01)
硕士论文
[1]铜基电镀Ni-P合金工艺和性能的研究[D]. 杨杰.华东理工大学 2011
本文编号：3223782
【文章来源】：表面技术. 2020,49(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
不同Ni/Nb比的Cu-Ni-Nb-N合金薄膜和参比样品纯铜、Cu(N)电阻率随退火温度的变化规律
图1 不同Ni/Nb比的Cu-Ni-Nb-N合金薄膜和参比样品纯铜、Cu(N)电阻率随退火温度的变化规律前文提到，Cu-N分解的温度范围是100～470℃，因此退火温度高于470℃时，固溶的氮绝大部分会从薄膜中释放出来，因此对于高于分解温度处理的薄膜，其结构和性能需要更深入的分析。但XRD结果显示，部分样品在600℃/1 h退火后出现了界面扩散，所以接下来将着重分析550℃/1 h退火后的薄膜。图3为该条件下处理的参比样品Cu(N)的TEM形貌和膜基界面。由图3a可知，Cu(N)薄膜中出现了很多纳米级的孔洞，这主要是因为退火温度达到550℃时，超过了Cu-N化合物的分解温度，薄膜中固溶的氮释放出来，导致宏观上薄膜的疏松多孔。从图3b可知，膜基界面处已经产生了倒三角形的Cu3Si相，该相附近的薄膜均从基底上分离。类似的Cu-Si互扩散现象也有报道[22]，且与文献[18,21,23]报道的铜合金相比，在铜中直接添加氮元素，对薄膜稳定的提高作用不大。
前文提到，Cu-N分解的温度范围是100～470℃，因此退火温度高于470℃时，固溶的氮绝大部分会从薄膜中释放出来，因此对于高于分解温度处理的薄膜，其结构和性能需要更深入的分析。但XRD结果显示，部分样品在600℃/1 h退火后出现了界面扩散，所以接下来将着重分析550℃/1 h退火后的薄膜。图3为该条件下处理的参比样品Cu(N)的TEM形貌和膜基界面。由图3a可知，Cu(N)薄膜中出现了很多纳米级的孔洞，这主要是因为退火温度达到550℃时，超过了Cu-N化合物的分解温度，薄膜中固溶的氮释放出来，导致宏观上薄膜的疏松多孔。从图3b可知，膜基界面处已经产生了倒三角形的Cu3Si相，该相附近的薄膜均从基底上分离。类似的Cu-Si互扩散现象也有报道[22]，且与文献[18,21,23]报道的铜合金相比，在铜中直接添加氮元素，对薄膜稳定的提高作用不大。图4是溅射态和550℃/1 h退火后Cu97.65Ni0.42Nb0.05N1.85薄膜的TEM形貌和膜区的选区电子衍射花样。溅射薄膜的形貌（图4a）显示，薄膜由柱状晶组成，其尺寸为几纳米到十几纳米，明显小于不添加氮元素时柱状晶的尺寸（～20 nm)[18,22]。由溅射态薄膜对应的选取电子衍射花样也可知，薄膜主要由铜的纳米晶以及少量的NbN纳米晶组成。
【参考文献】：
期刊论文
[1]水平连铸结晶器铜合金内套表面强化工艺及性能研究[J]. 洪昌,朱才进,谢春生,肖鸿光. 热加工工艺. 2011(14)
[2]结晶器铜板镀层剥落原因分析及改进[J]. 祁文华. 梅山科技. 2010(01)
硕士论文
[1]铜基电镀Ni-P合金工艺和性能的研究[D]. 杨杰.华东理工大学 2011
本文编号：3223782
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