TiN-TiB2纳米多层膜的共格外延生长

电子显微学报Ｊ．ｃｈｉｎ．Ｅｌｅｃｔｒ．Ｍｉｃｒｏｓｃ．ｓｏｃ

２４（４）：２７５～２７５２００５年２７５

ＴｉＮ／ＴｉＢ２纳米多层膜的共格外延生长

戴嘉维１，岳建岭２，李戈扬２

（上海交通大学１教育部高温材料及高温测试重点实验室，

２金属基复合材料国家重点实验室，上海２０００３０）

两种材料以纳米量级交替沉积形成的纳米多层

薄膜因具有超硬效应而得到广泛的关注和研究。两

调制层在小周期时形成共格界面的外延生长结构是

纳米多层膜产生硬度异常升高的重要微结构特征。

具有超硬效应的氧化物纳米多层膜多形成相同晶体

结构类型的共格外延生长结构，然而，近期的研究表

明，两种不同晶体结构类型的材料，在特定的晶面形

成异结构共格外延生长的纳米多层膜不仅会产生超

硬效应，且具有硬度增量更大和高硬度的调制周期

范围更宽的明显优势。

一系列不同ＴｉＢ，层厚的ＴｉＮ／Ｔｉ政多层膜和

ＴｉＮ、ＴｉＢ，单层膜在多靶磁控溅射仪上制备，巾７５ｍｍ

的ＴｉＮ化合物靶（９９％）种ＴｉＢ＇化合物靶（９９％）分别由两个射频阴极控制，抛光的不锈钢基片经丙酮和无水乙醇超声波清洗后置于可转动的基片架上。采用０．４Ｐａ的Ａｒ作为溅射气体，基片温度保持在室温。通过控制ＴｉＮ和ＴｉＢ，靶的溅射功率和基片分别在靶前的停留时间，得到一系列不同ＴｉＢ：层厚的ＴｉＮ／ＴｉＢ：纳米多层膜，薄膜的总厚度约为２肛ｍ。

对薄膜的力学性能测量表明，在ＴｉＮ中插入仅０．３ｎｍ的ＴｉＢ’层形成多层膜后，薄膜的硬度和弹性模量就迅速升高，并在ＴｉＢ：层厚为０．６ｎｍ时分别达到最高值４６．９ＧＰａ和４６５ＧＰａ，多层膜呈现硬度与弹性模量异常升高的超硬效应。

图ｌ示出了ＴｉＴ：ｉ（２．４ｎｍ）／ＴｉＢ，（２．９ｎｍ）多层膜垂直截面的高分辨透射电镜像。左上角的低倍像表明多层膜呈现成分周期变化的调制结构，两层间的界面较为平直，成分混合区较窄。多层膜的点阵排列

基金项目：上海市专利技术再创新项目（Ｎｏ．０３７２５０５２）

图１ＴｉＮ／ＴｉＢ：纳米多层膜垂直截面的ＨＲＴＥＭ像。

Ｂａｒ＝３ｎｍ

呈现立方ＴｉＮ和六方ＴｉＲ共格外延生长的特征。它们的取向关系为（１１１）。／／（０００１）陋，［１１０］。。，／１１０１０］吼。

研究结果表明，在ＴｉＮ／ＴｉＢ，纳米多层膜中，由于ＴｉＮ（１１１）晶面的模板作用，可使原为非晶态的ＴｉＢ：在小于２．９ｎｍ的层厚时，形成六方结构的晶体态，并与立方ＴｉＮ共格外延生长。由于存在晶格失配度，共格生长的多层膜中形成拉、压交变的应力场，这种应力场以及ＴｉＮ和ＴｉＢ：滑移系的不同，使多层膜产生硬度和弹性模量升高的超硬效应，最高硬度和弹性模量分别达到４６．９ＧＰａ和４６５ＧＰａ。

参考文献略．

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