ZrSiN纳米复合膜的显微结构、力学性能和强化机理

李伟　陈朋灿　刘京京

摘要：

利用磁控溅射方法，采用不同成分的ZrSi复合靶，在单晶硅基底片上沉积不同Si含量的ZrSiN纳米复合膜.利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM） 和纳米压痕仪等表征测试方法研究了Si含量对ZrSiN纳米复合膜微观结构和力学性能的影响.结果表明：随着ZrSiN薄膜中Si含量的增加，薄膜结晶程度先升高后降低，同时薄膜硬度和弹性模量先上升后下降；当Si与Zr的原子比为1∶24时，ZrSiN薄膜的硬度和弹性模量达到最大值31.6 GPa和320.6 GPa，此时ZrSiN薄膜内部形成Si3N4界面相包裹ZrN纳米晶粒的纳米复合结构；Si3N4界面相呈结晶态协调邻近ZrN纳米晶粒间的位向差，并与ZrN纳米晶粒之间形成共格外延生长，表明ZrSiN纳米复合膜的强化来源于ZrN纳米晶粒和Si3N4界面相之间形成共格外延生长界面.

关键词：

ZrSiN纳米复合膜； 显微结构； 共格； 力学性能； 强化机理

中图分类号： TQ 153.2文献标志码： A

Abstract：

By using ZrSi composite targets with different compositions，ZrSiN nanocomposite films with different Si content were synthesized on Si substrate by magnetron sputtering.The effects of Si content on microstructure and mechanical properties of ZrSiN nanocomposite films were investigated by Xray diffraction（XRD），scanning electron microscopy（SEM），high resolution transmission electron microscopy（HRTEM） and nanoindentation techniques.The results show that，with the increase of Si content，the crystallization degree of the film firstly increases and then decreases.Accordingly，the hardness and elastic modulus of the film firstly improves and then deteriorates.When the atomic ratio of Si to Nb is 1∶24，the maximum values of hardness and elastic modulus of ZrSiN film reach 31.6 GPa and 320.6 GPa，respectively.The microstructural observations indicate that ZrSiN film presents a nanocomposite structure with ZrN nanocrystallites surrounded by crystallized Si3N4 interfacial phase，which can coordinate misorientations between adjacent ZrN nanocrystallites and grow coherently with them，suggesting that the strengthening effect of ZrSiN nanocomposite film can be attributed to the coherent epitaxial interface between ZrN nanocrystallites and Si3N4 interfacial phase.

Keywords：

ZrSiN nanocomposite film； microstructure； coherent； mechanical properties； strengthening mechanism

纳米复合膜因具有超高的硬度，近20年来已被国内外许多学者所关注.纳米复合膜是由两种互不相溶材料产生的一种界面相（interfacial phase）包裹着基体相（matrix phase）的三维网状结构的薄膜.对于纳米复合膜获得超高硬度的强化机理，目前被广泛接受的是德国慕尼黑工业大学VEPREK等[1]提出的非晶包裹纳米晶模型，即ncTiN/aSi3N4模型.该模型认为，由于TiN相和Si3N4相热力学上的互不相溶性，TiSiN纳米复合膜中的Si3N4相以非晶形式包裹在TiN纳米晶粒的表面并阻碍其晶粒长大.VEPREK等[1]认为，由于TiN晶粒尺寸很小，位错不能在TiN晶粒中产生或是增殖，因此TiSiN纳米复……