采用雙靶反應(yīng)磁控濺射方法制備了Cu含量不同的AlN/Cu納米復(fù)合涂層。采用X射線衍射(XRD)、納米壓痕、X射線光電子能譜(XPS)等方法觀察和分析了涂層的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及內(nèi)部化學(xué)結(jié)合狀態(tài)。XRD結(jié)果表明所有涂層中的AlN均為(002)擇優(yōu)取向的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，Cu含量\4.7%原子比涂層中可以觀察到Cu(111)峰的存在。納米壓痕結(jié)果表明：Cu含量的多少影響涂層的力學(xué)性能，如硬度H、彈性模量E。Cu含量為17.0%時(shí)，H=27.3GPa、E=264.9GPa，H/E=0.103；隨著壓入深度從80nm增加至250nm，彈性回復(fù)值從78.2%降至67.9%。XPS分析表明：對(duì)于17.0%Cu含量的涂層而言，電子結(jié)合能位于73.5，932.3和933.4eV處的峰分別對(duì)應(yīng)著A-lN鍵、Cu-Cu鍵和Cu-Al鍵。Cu-Al鍵的存在說(shuō)明AlN相與Cu相在兩相界面處存在一定的相互化學(xué)作用。
　　
　　研究人員發(fā)現(xiàn)通過(guò)向金屬氮化物(例如：CrN、TiN、AlN等)中摻雜適當(dāng)量的金屬元素(例如：Ni、Ag、Cu等)，制備得到硬質(zhì)相/軟質(zhì)相納米復(fù)合涂層，涂層的硬度、耐磨性和韌性等力學(xué)性能得到明顯改善。其中Cu作為軟質(zhì)相金屬的摻雜備受關(guān)注，Cu含量的多少對(duì)涂層的力學(xué)性能有著重要影響。例如：Kuo等制備的Cr-Cu-N復(fù)合涂層在Cu含量為1517%(原子比)獲得較好的硬度和耐磨性能。李鑄國(guó)等發(fā)現(xiàn)T-iCu-N復(fù)合涂層Cu含量在2.0%時(shí)，硬度達(dá)到z*高。Musil等通過(guò)直流(DC)磁控濺射制備的A-lCu-N涂層在Cu含量為8.1%時(shí)，硬度z*高，可以達(dá)到48GPa。但是，Musil等對(duì)A-lCu-N體系的研究主要關(guān)注于制備過(guò)程中工藝參數(shù)的改變對(duì)力學(xué)性能的影響，而且只研究了較低Cu含量(<10%)的摻雜，而且未對(duì)涂層內(nèi)部AlN相與Cu相兩相之間的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)給出表征。同時(shí)，研究者發(fā)現(xiàn)，在中頻反應(yīng)磁控濺射制備AlN薄膜的過(guò)程中，濺射氣壓以及N2分壓等對(duì)AlN薄膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有著重要的影響；且中頻(MF)能有效解決沉積過(guò)程中陽(yáng)極消失問(wèn)題，并能提高靶材利用率。
　　
　　本文通過(guò)雙靶反應(yīng)磁控濺射的方法制備得到了一系列Cu含量不同的A-lCu-N涂層，將Cu含量z*高擴(kuò)展到了17.0%。通過(guò)納米壓痕技術(shù)研究了涂層的力學(xué)性能，如硬度H、彈性模量E、硬度與彈性模量的比值H/E，得出了力學(xué)性能z*優(yōu)的涂層，并研究了壓入深度的不同對(duì)彈性回復(fù)測(cè)量帶來(lái)的影響。同時(shí)通過(guò)X射線光電子能譜(XPS)研究了涂層內(nèi)部的AlN相與Cu相之間的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)。
　　
　　1、實(shí)驗(yàn)
　　
　　實(shí)驗(yàn)用的A-lCu-N樣品均在沈陽(yáng)科友公司生產(chǎn)的型號(hào)為MS450的雙靶磁控濺射儀上制備Al、Cu靶純度均為99.999%。Si(100)基片和康寧公司Eagle型號(hào)的玻璃基片經(jīng)過(guò)丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗，并用高壓氮?dú)獯祪艉蠓湃氤练e室內(nèi)的基片架上?；桨胁牡木嚯x約為10cm。沉積前背底真空優(yōu)于8×10-5 Pa；沉積過(guò)程中工作氣壓為0.8Pa，N2流速為24mL/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))。Al靶由中頻脈沖電源控制，固定功率為400W，頻率為100kHz；Cu靶采用直流電源控制，通過(guò)改變Cu靶功率來(lái)控制樣品中Cu的含量。為了提高樣品的均勻性，樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速為14r/min。為了提高膜層質(zhì)量，濺射前需進(jìn)行20min的預(yù)濺射來(lái)清理靶表面。沉積過(guò)程中，基片施加-90V的中頻脈沖偏壓，基片溫度控制為300℃，沉積時(shí)間為1.5h，膜厚約為0.8~1.0um。
　　
　　2、表征
　　
　　采用與HitachiS4800掃描電子顯微鏡(SEM)配套的能譜(EDX)儀來(lái)分析涂層的成分。采用德國(guó)產(chǎn)的BrukerD8型X射線衍射(XRD)儀分析涂層的相組成，測(cè)試過(guò)程采用CuKa線，H/H模式。采用Kratos公司的AxisULTRADLDXPS分析涂層的內(nèi)部化學(xué)環(huán)境，其中光源為單色AlKa(1486.6eV)，工作時(shí)候腔內(nèi)氣壓優(yōu)于6.65×107Pa。為了除去樣品表面的污染物，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)前用5min2keVAr+轟擊清洗樣品表面。通過(guò)污染碳C1s=284.8eV進(jìn)行標(biāo)定，分析過(guò)程采用Shirley背底，以及合適的Gaussian/Lorentzian比例。力學(xué)性能分析在型號(hào)為MTSG200的納米壓痕儀上進(jìn)行，測(cè)試方法采用Oliver-Pharr方法，硬度及模量測(cè)試中壓入深度設(shè)定為膜厚的1/10；彈性回復(fù)測(cè)試中壓入深度控制在80~250nm之間。
　　
　　4、結(jié)論
　　
　　通過(guò)對(duì)反應(yīng)磁控濺射制備得到的Cu含量不同的A-lCu-N涂層經(jīng)過(guò)表征后，主要有以下發(fā)現(xiàn)：
　　
　　(1)A-lCu-N涂層中的AlN為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)；Cu含量\4.7%涂層中，可以觀察到Cu的晶體相。
　　
　　(2)Cu含量會(huì)影響涂層的力學(xué)性能，Cu含量為17.0%時(shí)，硬度H=27.3GPa，模量E=264.9GPa，H/E=0.103。
　　
　　(3)對(duì)于Cu含量為17.0%涂層而言，隨著壓入深度從80nm增加到250nm，由于基底效應(yīng)，彈性回復(fù)從78.2%降至67.9%。
　　
　　(4)XPS分析表明結(jié)合能位于73.5eV處的為A-lN鍵；Cu存在兩種化學(xué)狀態(tài)：結(jié)合能位于932.3eV處的Cu-Cu鍵和933.4eV處Cu-Al鍵，Cu-Al鍵的存在說(shuō)明AlN相與Cu相在兩相界面處存在一定的相互化學(xué)作用。