采用離子束輔助電弧離子鍍技術(shù)在高速鋼基體上制備TiN/Cu 納米復(fù)合薄膜，考察了基體脈沖負(fù)偏壓對薄膜成分、結(jié)構(gòu)及硬度的影響。用X 射線光電子譜、X 射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡和納米壓痕等方法分別測試了薄膜的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、表面形貌、硬度以及彈性模量。結(jié)果表明，在氮離子束的轟擊作用下，隨著脈沖偏壓幅值從-100 V 增加到-900 V 時，薄膜中Cu 含量先增加而后略有降低，在1.05% ～ 2.50%( 原子比) 范圍內(nèi)變化。同時，脈沖偏壓對薄膜的結(jié)構(gòu)也有明顯影響，在-100 V出現(xiàn)TiN( 111) 擇優(yōu)取向，當(dāng)基體偏壓增加到-300 V 以上時，擇優(yōu)取向改變?yōu)門iN( 220) 擇優(yōu)。薄膜的Cu2p 峰均對應(yīng)純金屬Cu，薄膜的晶粒尺寸約在11 ～17 nm 范圍內(nèi)變化。硬度和彈性模量隨著偏壓幅值增加而增大，當(dāng)偏壓為-900 V 時，薄膜硬度和彈性模量達(dá)到最大值，分別為29. 92 GPa， 476 GPa，對應(yīng)的銅含量為1. 91%。

　　自1994 年納米復(fù)合薄膜的概念和設(shè)計思想被Veprek 和Reiprich首次提出以來，納米復(fù)合膜以其獨(dú)特的物理和機(jī)械性能及廣闊的應(yīng)用前景引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。經(jīng)過不斷發(fā)展，納米復(fù)合膜按照其構(gòu)成可分為兩類: 一類是由Veprek 等提出的nc-MeN/硬相納米復(fù)合膜，如nc-TiN/a-Si3N4和nc-TiN/a-TiB2等；另一類是由Musil 等提出的nc-MeN/軟相納米復(fù)合膜，即在過渡族金屬納米晶氮化物中添加少量的軟質(zhì)金屬合成的納米復(fù)合膜，如nc-TiN/a-Ni 和nc-ZrN/a-Cu，其中nc-和a-分別表示納米晶和非晶。

　　作為nc-MeN/軟相納米復(fù)合膜的典型代表TiN/Cu薄膜，以其優(yōu)異的超硬性能引起了科研工作者的關(guān)注。目前國內(nèi)外研究者多采用物理氣相沉積方法如直流磁控濺射、雙脈沖磁控濺射、低能離子束輻照磁控濺射、脈沖偏壓電弧離子鍍等方法制備TiN/Cu薄膜，且薄膜硬度多在25 ～ 40 GPa 范圍內(nèi)。與其它制備方法相比，離子束輔助沉積是在氣相沉積薄膜的同時，利用載能粒子轟擊正在生長的薄膜的一種物理氣相沉積技術(shù)。它具有可獨(dú)立調(diào)節(jié)成膜的參數(shù)、制備工藝可靠和穩(wěn)定的特點(diǎn)，特別是由于高能離子束能給沉積系統(tǒng)帶來足夠的能量，薄膜可以在相對較低的溫度下能形成良好的薄膜結(jié)構(gòu)，且離子束的能量能轉(zhuǎn)移到薄膜的表面促進(jìn)吸附原子的表面遷移率增加，從而改變薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，形成致密的薄膜。但采用離子束輔助電弧離子鍍技術(shù)沉積納米復(fù)合薄膜研究不多，本文采用離子束輔助電弧離子鍍技術(shù)在高速鋼( HSS) 基體上沉積TiN/Cu 納米復(fù)合膜，研究基體脈沖偏壓幅值對TiN/Cu 納米復(fù)合膜的成分、結(jié)構(gòu)及硬度的影響。

1、實驗方法

　　薄膜在俄羅斯產(chǎn)的TRIO 自動化真空等離子裝置上制備，該裝置詳見文獻(xiàn)。該裝置配置兩個陰極真空電弧源，與文獻(xiàn)不同的是在裝置上方配置一個弧光放電離子源。基體材料采用M2 高速鋼，經(jīng)過線切割切成尺寸大小為10 mm × 10 mm × 20mm 的方塊，然后機(jī)械研磨拋光。真空電弧靶材為TiCu 合金靶( Ti88%，Cu12% ( 原子比) ) ，基體固定在鍍膜室底部。鍍膜前，試樣在丙酮中用超聲波清洗10 min，熱風(fēng)吹干后置于TRIO 等離子體真空處理裝置中。鍍膜室先抽真空度至6.0 × 10^-3 Pa，然后通入氬氣pAr = 0.4 Pa 進(jìn)行濺射清洗5 min，后通入氮?dú)猓�氮�(dú)鈿鈮簽?.4 Pa，開啟鈦銅合金靶弧源，通過電弧放電產(chǎn)生金屬等離子體流，電弧電流為80 A，同時開啟弧光放電離子源電源，離子源通過氣體弧光放電產(chǎn)生氮離子，其放電電流固定為20 A，陰極電弧靶產(chǎn)生的等離子體與弧光放電離子源產(chǎn)生的氮離子同時轟擊基體表面。基體脈沖偏壓輔值設(shè)定為-100，-300，-600 及-900 V，占空比均為30%，頻率為40 kHz。薄膜沉積溫度為370 ～ 430℃，沉積時間為60 min。用X 射線光電子能譜(XPS) 儀檢測膜的成分和化學(xué)狀態(tài)，濺射電壓2 kV，濺射速度0.2 nm/s；用掃描電鏡( SEM) 觀測試樣表面形貌; 采用D/max2400型X-ray 衍射( XRD) 儀分析結(jié)構(gòu)，采用Cu 靶的Kα射線; 透射電子顯微鏡( TEM) 觀查膜的截面結(jié)構(gòu)；采用納米壓痕儀測量硬度和彈性模量，最大載荷為3mN，壓入深度控制在低于膜厚的10%; 用Scherrer方程計算平均晶粒尺寸

　　式中，D 為平均晶粒尺寸；λ 為X 射線波長，其值為0.154156 nm；θ 為布拉格衍射角；B為膜衍射峰的半高寬(FWHM) 。

3、結(jié)論

　　(1) 采用離子束輔助電弧離子鍍方法通過改變脈沖偏壓幅值成功地制備了TiN/Cu納米復(fù)合膜，脈沖偏壓對薄膜的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)及硬度有很大影響。脈沖偏壓從- 100 增加到- 900 V 時，薄膜的Cu 含量在1.05% ～2.5%范圍內(nèi)變化。

　　(2) TiN/Cu 薄膜由面心立方TiN( B1-NaCl) 結(jié)構(gòu)構(gòu)成，脈沖偏壓-100 增加到-300 V 以上時，TiN 擇優(yōu)取向由(111) 改變?yōu)?220) 。另外TiN 晶粒尺寸在11 ～17 nm 納米范圍內(nèi)，所制備的薄膜為nc-TiN/Cu納米復(fù)合薄膜。

　　(3) 在脈沖偏壓幅值為-900 V 時，TiN/Cu 薄膜獲得硬度值最大29.92 GPa，此時對應(yīng)的Cu 含量為1.91%。