偏压对Ti-Si-N纳米复合膜结构和性能的影响

贺春林,王苓飞,高建君,朱跃长,解磊鹏,李 蕊,马国峰,王建明

(沈阳大学 辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁 沈阳 110044)

偏压对Ti-Si-N纳米复合膜结构和性能的影响

贺春林,王苓飞,高建君,朱跃长,解磊鹏,李 蕊,马国峰,王建明

(沈阳大学 辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁 沈阳 110044)

以高纯Ti和Si为靶材,在不同偏压下于Ar/N2气氛中溅射沉积了Ti-Si-N纳米复合膜,采用原子力显微镜、X射线衍射(XRD)和划痕法研究了复合膜的结构、界面结合力和摩擦系数与偏压的关系.实验结果显示,溅射Ti-Si-N膜层结构为nc-TiN/a-Si3N4/a-和nc-TiSi2复合结构.纳米复合膜的XRD谱图出现(200)、(111)、(220)和(222)面衍射峰,其中的择优取向为(200)面.在偏压为-150 V时,薄膜XRD谱图中出现TiSi2(311)面衍射峰.发现适当施加负偏压,有利于获得细小、均匀、致密和平整的Ti-Si-N纳米复合膜.在偏压为-120 V时沉积的复合膜组织和性能最好,其表面粗糙度为3.26 nm,界面结合强度为53 N,平均摩擦系数为0.11.说明偏压对磁控溅射Ti-Si-N纳米复合膜的微结构和性能有明显影响.

Ti-Si-N; 磁控共溅射; 纳米复合薄膜; 微结构; 偏压; 性能

TiN薄膜因具有高硬度、良好的耐磨性和化学稳定性等优点,在工模具、量具及机械零部件上得到了广泛应用[1].但TiN的抗高温氧化性能不是很理想,温度高于500 ℃时,就会因氧化而生成TiO2,导致部件使用寿命急剧下降,从而限制了此类薄膜的应用.多年来,人们采用“合金化”(如添加Al、Cr、C等)、纳米多层膜和纳米复合膜等方法来进一步改善这些薄膜性能.1998年,Veprek[2]提出,采用界面相(如Si3N4)分隔并包裹陶瓷纳米……