【摘 要】
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近年来,由于周期结构涂层因其多界面效应、晶粒细化和周期可调制等特点,使得涂层具有较高硬度、良好韧性、优秀的耐磨耐腐蚀和防止裂纹扩展等综合性能,因而得到了广泛关注。本文采用反应磁控溅射法首先制备了TiN和ZrOxNy单层膜,并交替沉积两种单层膜制备了TiN/ZrOxNy多层膜。探索研究了不同沉积参数对单层膜的相结构和元素组成的影响以及调制周期对多层膜力学性能的影响,并且对多层膜中调制层之间的相互扩散
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近年来,由于周期结构涂层因其多界面效应、晶粒细化和周期可调制等特点,使得涂层具有较高硬度、良好韧性、优秀的耐磨耐腐蚀和防止裂纹扩展等综合性能,因而得到了广泛关注。本文采用反应磁控溅射法首先制备了TiN和ZrOxNy单层膜,并交替沉积两种单层膜制备了TiN/ZrOxNy多层膜。探索研究了不同沉积参数对单层膜的相结构和元素组成的影响以及调制周期对多层膜力学性能的影响,并且对多层膜中调制层之间的相互扩散和相互反应进行研究。研究主要结果如下:对TiN单层膜的研究结果表明:以纯Ti和TiN化合物为靶材沉积的TiN薄膜均为NaCl型面心立方结构,并沿（220）晶面择优生长。薄膜的元素组成研究表明使用TiN靶制备的薄膜在氧含量控制方面更加优异,薄膜中O原子占比仅为6%,N/Ti原子百分比为0.74。对ZrOxNy单层膜的研究表明:以ZrN化合物为靶材在氧氩气氛下制备ZrOxNy薄膜时,当氧气流量过大时,会造成薄膜中氮元素流失严重,薄膜中Zr/O最大原子百分比约为1:2.7,薄膜相结构主要以ZrO2的形式存在。以ZrO2化合物为靶材在氮氩气氛下制备的ZrOxNy薄膜均沿Zr2ON2（620）晶面择优生长,但气体比例的变化对薄膜结晶度有较大影响。随着氮氩流量比增加,薄膜化学组成相对稳定,主要以氧化锆和氮氧化锆的形式存在。薄膜表面均致密,且气体流量的变化对薄膜生长速率的影响不明显,平均生长速率约为0.19nm/min。TiN/ZrOxNy周期结构多层膜的研究结果表明:通过对薄膜的周期结构进行调制能够有效优化周期结构多层膜的性能。由于调制层厚度过小,膜层间发生混合,导致多层结构消失,薄膜的硬度仅为15.3GPa。当周期结构为Ti/[TiN（5.2nm）/ZrOxNy（0.6nm）]100时,薄膜的结晶性能最佳,此时其摩擦系数为0.46。继续增加周期厚度,薄膜的结晶性能变差,摩擦系数升高。对膜/基结合力的研究表明,在基底上预镀金属Ti层和增加基底表面粗糙度都能改善薄膜的膜/基结合力。双层膜的界面研究结果表明:无论沉积顺序如何,TiN层和ZrO2（ZrON）层之间均产生相互作用。当ZrO2或ZrON层沉积在TiN层上时,O原子能更容易的替换N原子,从而进入TiN层,并且氧贯穿在Si/TiN/ZrO2和Si/TiN/ZrON的整个样品中。然而,在Si/TiN/ZrN系列样品中,TiN和ZrN层之间没有显著的相互作用。
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