纳米铜薄膜制备及其激光冲击改性基础研究

论文摘要

本文从激光冲击强化提高金属表层综合机械性能的原理出发,对纳米Cu薄膜进行了激光冲击强化的试验研究,并对激光冲击处理后的Cu薄膜的力学及电学性能进行了测试分析,主要取得了如下研究成果:采用纯Cu靶材,用直流磁控溅射的方法,通过调节溅射功率、溅射气压、基片温度等工艺参数,分别在GCr15基片和玻璃基片上制备了Cu薄膜,借助高分辨率扫描电镜、X射线衍射仪,分析了薄膜的表面形貌、组织结构等情况。通过纳米压痕仪和四探针测试仪测试分析,研究了薄膜的力学和电学性能的影响因素,探索出了制备Cu薄膜试样的最佳工艺参数。在衬底不加热,其他条件不变的情况下,随着溅射功率的增大,薄膜的晶粒尺寸逐渐增大,溅射速率先增大后减小,薄膜的织构先减弱后增强,薄膜的电阻率先减小后增大,本实验中转折点均出现在功率为200W时。在设备所达到的最低溅射功率24W条件下,制得的薄膜为非晶态。衬底加热后,制得的薄膜质量明显改善。在加热温度为150℃和200℃时,薄膜表面光滑,组织均匀、致密,且电阻率比相同条件下衬底不加热时的要低一个数量级。采用衬底加热至150℃,溅射功率40W的溅射参数,改变溅射气压来制备试样,发现溅射气压在0.5Pa时,薄膜的表面质量较好。采用GCr15钢片做衬底时制备Cu薄膜,衬底没有加热,薄膜内应力大,薄膜质量不理想,相同条件下,在此衬底上溅射的Cu薄膜的晶粒尺寸要小于玻璃衬底上的。选用了两台激光冲击处理装置对玻璃基片上Cu薄膜进行了冲击强化处理,实验结果表明实验中制备的薄膜试样用纳秒微冲击激光器来进行激光冲击处理比较合适。设置了脉宽5ns、光斑直径2mm、能量约80mJ等激光冲击处理参数,并且每个试样的同一个位置在经过激光冲击10次以后,通过扫描电镜可以看到薄膜的表面发生了塑性变形,其中衬底温度为300℃和450℃时制的试样变形最为明显。薄膜试样经过激光冲击后,组织结构变得更致密,粗糙度降低了。纳米压痕仪的测试结果显示薄膜的力学性能都发生了变化,其中硬度和弹性模量提高最多分别达到了104.32%和156.48%。四探针测试仪的测试结果显示Cu薄膜的电学性能得到了不同程度的改善,电阻率降低最多的达到了27.789%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 激光冲击强化技术的发展概况
• 1.2.1 国外发展概况
• 1.2.2 国内发展概况
• 1.3 激光冲击处理技术的原理
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 1.4.1 研究背景和意义
• 1.4.2 主要研究内容
• 第二章 实验原理及方法
• 2.1 磁控溅射法原理及特点
• 2.1.1 超高真空多功能磁控溅射简介
• 2.1.2 磁控溅射基本原理
• 2.2 薄膜的分析与检测设备
• 2.2.1 薄膜的表面形貌分析
• 2.2.2 薄膜的结构分析
• 2.2.3 薄膜的电阻率测试
• 2.2.4 薄膜的力学性能测试
• 2.3 激光冲击处理装置
• 第三章 Cu薄膜的制备
• 3.1 实验材料的准备
• 3.1.1 靶材
• 3.1.2 衬底材料
• 3.2 实验过程
• 3.3 实验工艺参数对薄膜质量的影响
• 3.3.1 溅射功率对薄膜质量的影响
• 3.3.2 基片温度对薄膜质量的影响
• 3.3.3 溅射气压对薄膜质量的影响
• 3.3.4 基片材料对薄膜质量的影响
• 3.4 玻璃基片上Cu薄膜的生长机制
• 3.5 本章小结
• 第四章 激光冲击Cu薄膜实验
• 4.1 激光冲击波的传播机理
• 4.1.1 激光冲击波的形成机制
• 4.1.2 约束模型下的激光冲击波
• 4.1.3 激光沖击波在材料中的传播
• 4.2 实验材料
• 4.3 实验过程
• 4.4 本章小结
• 第五章 激光冲击实验结果与分析
• 5.1 激光冲击处理前后Cu薄膜的表面形貌变化
• 5.2 Cu薄膜的力学性能
• 5.2.1 Cu薄膜的力学性能的影响因素
• 5.2.2 激光冲击处理前后Cu薄膜的纳米压入测试结果与分析
• 5.3 Cu薄膜的电学性能
• 5.3.1 Cu薄膜的电阻率的影响因素
• 5.3.2 激光冲击处理前后Cu薄膜的电阻率变化
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读学位期间发表的论文