编号：CYYJ04030

篇名：氮流量对六方氮化硼(hBN)薄膜结构和力学性能的影响

作者： 张丽红 张斌 高凯雄 于元烈 唐宏亮 张俊彦

关键词： hBN薄膜 B靶 N2流量 力学性能 卷曲结构

机构： 中国科学院兰州化学物理研究所材料磨损与防护重点实验室

摘要： 目的研究磁控溅射过程氮气(N2)流量对六方氮化硼(hBN)薄膜结构和力学性能的影响,为设计新型结构hBN薄膜提供新思路。方法利用中频电源磁控溅射硼靶,调节不同N2流量(6、12、18、24、30、36 mL/min),沉积4 h后得到hBN薄膜,使用表征工具分析N2流量对hBN薄膜的组成、微观结构、表面形貌以及力学性能的影响。最后使用透射电子显微镜和选区电子衍射对所制备薄膜的纳米晶粒尺寸和晶体点阵结构进行分析。结果XRD结果显示,薄膜物相主要为hBN。XPS结果说明,所制备薄膜为富硼hBN薄膜。薄膜的硬度和弹性模量随N2引入量的增加呈现先下降、后上升的趋势,最大硬度可达7.21 GPa,对应弹性模量为116.78 GPa。薄膜最低的硬度值为1.2 GPa,弹性模量为32.68 GPa。薄膜弹性破坏应变(H/E*)和塑性变形抗力(H3/E*2)随N2引入量的增加也呈现先上升、后下降的趋势,硬度最高薄膜对应的H/E*值为6.414´10-2,H3/E*2值为29.27´10-3GPa,最低硬度值对应的H/E*值为3.819´10-2,H3/E*2值为1.77´10-3GPa。透射结果显示,当N2引入量从6 mL/min逐渐增加到36 mL/min时,薄膜微观结构由结晶较差的卷曲结构过渡到局部纳米晶结构,最后形成结晶性较好的卷曲结构,并再次证明所制备薄膜为hBN。结论在中频磁控溅射沉积hBN薄膜时,通过调整N2流量可以有效调节薄膜的特殊组成,使结构发生转变,进而影响薄膜的力学性能。