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宽固溶区过渡金属氮化物MN_x (M=Ti, Zr, Hf)硬质薄膜原子尺度强化机制研究^*

韩克昌 , 刘一奇 , 林国强 , 董闯 , 邰凯平 , 姜辛

金属学报 doi:10.11900/0412.1961.2016.00078

采用增强磁过滤电弧离子镀技术在单晶Si基片上制备了3组不同过渡金属的氮化物薄膜MN_x (M=Ti, Zr, Hf). 利用FESEM, GIXRD, XPS, Nano Indenter等方法对MN_x薄膜的形貌、厚度、相结构、成分、元素的化学态、残余应力、弹性模量和硬度等进行了表征. 结果表明, 3组MN_x薄膜均在较宽的成分范围内表现为fcc单相结构, 并且同组薄膜间的择优取向、厚度、晶粒尺寸和残余应力等均基本保持一致; 特别是3组薄膜的硬度和弹性模量均随N成分x的变化而变化, 并且都在x=0.82附近出现性能峰值. 分析表明, MN_x薄膜与成分相关的性能增强, 其决定性因素不在于介观尺度的晶粒细化、择优取向及内应力等, 而是取决于原子尺度的化学键合及电子结构等因素.

关键词: 过渡金属氮化物薄膜, , 电弧离子镀, , 成分, , 力学性能, , 强化机制

宽固溶区过渡金属氮化物MNx(M=Ti,Zr,Hf)硬质薄膜原子尺度强化机制研究

韩克昌 , 刘一奇 , 林国强 , 董闯 , 邰凯平 , 姜辛

金属学报 doi:10.11900/0412.1961.2016.00078

采用增强磁过滤电弧离子镀技术在单晶Si基片上制备了3组不同过渡金属的氮化物薄膜MNx(M=Ti,Zr,Hf).利用FESEM,GIXRD,XPS,Nano Indenter等方法对MNx薄膜的形貌、厚度、相结构、成分、元素的化学态、残余应力、弹性模量和硬度等进行了表征.结果表明,3组MNx薄膜均在较宽的成分范围内表现为fcc单相结构,并且同组薄膜间的择优取向、厚度、晶粒尺寸和残余应力等均基本保持一致;特别是3组薄膜的硬度和弹性模量均随N成分x的变化而变化,并且都在x=0.82附近出现性能峰值.分析表明,MNx薄膜与成分相关的性能增强,其决定性因素不在于介观尺度的晶粒细化、择优取向及内应力等,而是取决于原子尺度的化学键合及电子结构等因素.

关键词: 过渡金属氮化物薄膜 , 电弧离子镀 , 成分 , 力学性能 , 强化机制

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