射頻磁控濺射沉積Al/Al2O3納米多層膜的結構及性能

　　運用射頻磁控濺射技術(shù)在Si(100)基片及40Cr鋼基體上制備了調制周期K=60nm，調制比G=0.25~3的Al/A1₂O₃納米多層膜。通過(guò)X射線(xiàn)衍射、X射線(xiàn)光電子能譜、掃描電鏡、原子力顯微鏡、維氏顯微硬度儀及MFT-4000多功能材料表面性能測試儀對多層膜的結構、硬度、膜基結合強度及摩擦性能進(jìn)行了研究。結果表明:Al/A1₂O₃多層膜中Al層呈現(111)擇優(yōu)取向，A1₂O₃層以非晶形式存在，多層膜呈現良好的調制結構。薄膜與襯底之間的結合強度較高，均在40N左右，摩擦系數均低于襯底的摩擦系數，表明Al/A1₂O₃多層膜具有一定的減摩作用。G=0.25的Al/A1₂O₃多層膜具有最高的硬度值(16.1GPa)，摩擦系數最低(0.21)，耐磨性能最好。

　　Al2O3膜因其具有優(yōu)異的機械性能，如機械強度高、硬度高、耐磨及耐蝕性好，而且高溫穩定性好，而受到人們的廣泛關(guān)注。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機活塞的磨損比較嚴重，在其活塞環(huán)槽上鍍上一層陶瓷膜，可使之耐磨性提高，延長(cháng)使用壽命。但是陶瓷涂層是一種本征脆性材料，在摩擦過(guò)程中因發(fā)生脆性斷裂失效，影響其耐磨性能。因此提高陶瓷涂層材料的韌性是影響陶瓷材料在機械領(lǐng)域中應用的關(guān)鍵。目前疊層韌化方法是提高陶瓷涂層韌性的有效方法之一。Ding等用射頻磁控濺射法制備了不同Al層厚度的Al/A1₂O₃多層膜，研究了薄膜的顯微硬度及耐磨性能與調制層厚度之間的關(guān)系。Thivet等制備了不同調制周期，調制比恒為1的Al/A1₂O₃多層膜，并探討了薄膜的結構，發(fā)現A1₂O₃以非晶形式存在。Mao等在NdFeB上制備了Al/A1₂O₃多層膜，發(fā)現Al/A1₂O₃多層膜比NdFeB上鍍制單層Al膜的耐蝕性要好。Northwood等發(fā)現納米層狀Al/A1₂O₃薄膜的摩擦系數和磨損率隨金屬層厚度降低而增加，并結合實(shí)驗結果與已報道的相關(guān)文獻分析了這種層狀薄膜的力學(xué)性能及摩擦磨損性能與薄膜微觀(guān)結構的關(guān)聯(lián)性，對其作為耐磨涂層材料的實(shí)際運用顯示出重大意義。目前有關(guān)Al/A1₂O₃多層膜調制比與薄膜結構及性能之間的關(guān)系報道很少，本文用射頻磁控濺射方法制備Al/A1₂O₃多層膜，探討調制比與薄膜結構及性能之間的關(guān)系。

實(shí)驗

　　采用FJL520型射頻磁控濺射系統制備A1₂O₃層，直流濺射金屬Al層。靶材為真空燒結的A1₂O₃靶(純度為99.99%)及純Al靶(純度為99.99%)，直徑50mm。襯底為Si(100)基片及40Cr鋼基體，鍍膜前依次用丙酮、酒精及去離子水超聲波清洗。本底真空度3×10^-4 Pa，工作氣體壓強為0.5Pa，鍍制Al膜時(shí)，工作氣體為純Ar(99.99%)，直流濺射Al靶功率70W，鍍制Al2O3膜時(shí)，工作氣體為純Ar(99.99%)及O2(99.99%)，通O2的目的是保證A1₂O₃的化學(xué)計量比，如果沒(méi)有氧分壓的補償，A1₂O₃膜就會(huì )缺氧，射頻濺射功率150W。襯底循環(huán)水冷，溫度30~40e，襯底以10.r/min的速率自轉以提高膜均勻性。具體濺射工藝參數如表1。

表1 Al/A12O3納米多層膜濺射工藝參數

　　石英晶振儀實(shí)時(shí)監測膜厚，多層膜總厚1200nm。調制周期(定義為單層A1₂O₃膜厚度與單層Al膜厚度之和)恒為60nm，調制比(定義為Al層厚與A1₂O₃層厚之比)分別為0.25，0.5，1，2，3，表層為A1₂O₃層，Al層與襯底結合，樣品具體設計參數如表2。

表2 Al/A12O3納米多層膜膜層設計參數

　　X射線(xiàn)衍射(XRD)測試在日本理光2200型XRD儀上進(jìn)行，CuKA線(xiàn)，波長(cháng)0.15406nm，管壓40kV，管流200mA，石墨單色濾波，掃描步長(cháng)0.02b，用SPA-400型原子力顯微鏡(AFM)觀(guān)察表面形貌，PhilipsXL30E掃描電鏡(SEM)觀(guān)察薄膜橫截面形貌。在MFT-4000多功能材料表面性能測試儀上進(jìn)行劃痕實(shí)驗測試薄膜的結合強度，往復摩擦實(shí)驗測試薄膜的摩擦系數，摩擦速度100nm/min。維氏顯微硬度儀測試薄膜的硬度，取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測試，最終結果取其均值。

結論

　　(1)運用射頻磁控濺射制備的K=60nm，G0.25~3Al/A1₂O₃納米多層膜，Al層呈現(111)擇優(yōu)取向，A1₂O₃層以非晶形式存在。多層膜呈現良好的調制結構，呈典型的島狀模式生長(cháng)，且表面光滑平整。

　　(2)Al/A1₂O₃納米多層膜的結合強度較高，均在40N左右。多層膜的硬度及摩擦系數受調制比影響，隨調制比逐漸增大，多層膜的硬度逐漸降低，摩擦系數逐漸升高。不同調制比的多層膜的摩擦系數均低于40Cr襯底的摩擦系數。G=0.25的多層膜具有最高的硬度值(16.1GPa)，摩擦系數最低(0.21)，耐磨性能最好。