反应直流磁控溅射制备的硅铝氧氮涂层的结构和化学组成

拉蒙阿尔瓦罗·巴尔加斯·奥尔蒂斯和弗朗西斯科·贾维尔·埃斯皮诺扎·贝尔特拉恩

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AZojomo（ISSN 1833-122X）第1卷2005年11月

主题涵盖

摘要

关键字

介绍

实验

结果和讨论

结论

确认

工具书类

详细联系方式

摘要

这项工作是关于四元系Si–Al–O–N和基于（Si，Al）（O，N）的相关体系的陶瓷涂层的生产₄四面体结构。这些材料具有亚博网站下载几种有趣的机械，热和化学性质，使其成为高温应用的候选物。通过反应性DC磁控管共溅射技术生产Si-Al氧 - 氮化物涂层，使用部分覆盖有C-Si晶片的铝的靶标。Si:Al的面积比从0:1变化到1:1左右。在每次沉积过程中，都引入了氩气-氮气-氧气混合物的反应气氛，熔剂质量受控。衬底偏压电位的引入可以改善涂层中氮和硅的含量。具有由Al的化学成分的涂层多样性₂O_3.和AlN到(Si,Al)O和(Si,Al)(O,N)相。在每次蒸发过程中进行光发射光谱（OES）以检测激发到血浆中的物种。涂层显示出显性无定形结构。然而，对于某些成分，也观察到多晶结构。采用x射线衍射(XRD)、电子弥散能(EDS)和拉曼散射(Raman)对涂层进行了表征。

关键字

硅铝氧氮compounds特区r难以置信年代足,拉曼年代光学散射e任务年代灯镜，纳米晶体年代Ileicon.

介绍

Sialons是p发生在SiO中₂–Si_3.N₄–AlN–Al₂O_3.系统。由于其化学惰性，良好的抗热震性，以及在高温下仍能保持优异的机械性能，sialon体系在工程[1]中有相当大的应用。它们可以具有广泛的组成，更常见的唾液形式β-sialon, O-sialon, X-sialon，和α-sialon。β-sialon是如果_6-Z.艾尔_zO_zN_8-z，其中z的值可以是0（纯Si_3.N₄）至4.2。这些sialons是同结构的β-硅_3.N₄．o-sialon是si_{2 - x}艾尔_xO_{1 + x}N_{2 - x}，其中x可以具有0到约0.4的值。X-sialon,名义上₁₂艾尔₁₈O₃₉．它们与莫来石是等结构的，可以看作是莫来石与Si的固溶体_3.N₄．α-sialon与α-硅_3.N₄在Mg、Y或Ca[1]等稳定金属离子的存在下可以形成。

唾液隆作为天然矿物质几乎不存在，唾液隆粉必须合成。Sialons可以通过反应烧结或热压将氧化物、氮化物和氮氧化物粉末混合制成[1,2]。它们也可以使用碳热还原过程(CTR)[3,4]。另一方面，无功直流磁控溅射技术是一种允许开发各种类型的涂层的技术。这些涂层可以是纯金属和非金属、金属氧化物、金属氮化物和金属碳化物；具有非常不同的结构和性质[5]。以季系Si-Al-O-N为原料制备涂料的文献报道较少。在这项工作中，我们使用不同技术向该系统的涂层进行研究，以表征其结构和化学成分。

实验

采用直流磁控反应共溅射技术(Sputtering INTERCOVAMEX system)在高速钢(HSS)基体上制备了Si - Al - O - N体系的涂层。使用直径为5.0 cm的圆柱形铝板作为靶材，其中部分覆盖有c-Si片，因此确定了面积中Si:Al分数为50:50和60:40。惰性气体为氩气(纯度为99.999%)，反应气体为氧气和氮气(纯度分别为99.999%和99.5%)。在涂层的生长过程中进行光发射光谱（OES），以检测等离子体中所涉及的物种（光纤光谱仪海洋光学2000）。通过扫描电子显微镜（SEM）分析所得涂层（飞利浦EDAX XL30 ESEM）。

此外，对每个样品进行了能量色散谱分析(EDS)。采用x射线衍射(XRD, Rigaku D/Max-2100)对结构进行了研究。使用稀释型SPEX系统获得微拉曼分散频谱，与632.8nm的HE-NE激发线一起使用。表1列出了获得的涂层生长过程中使用的参数。

表格1。增长pSi-Al-O-N系统反应直流磁控溅射系统的参数。

结果和讨论

这项工作的目的是通过反应性DC磁控溅射技术开发一种从Si-Al-O-N系统涂覆的生产方法。通过改变生长参数（表1）获得涂层，使我们能够评估对样品结构和成分的影响。各涂层的EDS化学成分如表2所示。

表2。通过EDS测量得到涂层样品的化学成分。

基质中的偏置电压似乎有助于氮的掺入。在无偏置电压和氮气流量为20 sccm的情况下，涂层的电压为3.05。%的氮;另一方面，6.45和6.92。当施加-250V和-300V偏压时，氮含量分别为%。然而，对基底施加高负偏压会对涂层产生强烈侵蚀（图1）。

图1．SO0N20B-250涂层的扫描电子显微镜图像是在衬底上使用-250 V偏压获得的。

当未应用偏差时，图2中没有观察到表面的侵蚀。

图2。SO0N20B0涂层的扫描电子显微镜图像，无需在基板上施加偏压。

样品SO0N20B-250（图3）的光发射光谱显示以下物种：Ar（I），这是最显著的谱线；N₂，n₂⁺N(I)， Al(I)和Si(II)，分别在375 nm, 391nm, 868 nm, 394 nm和637 nm处[7,8]。

图3。SO0N20B-250涂层在蒸发过程中的发射光谱。

图4为铝硅靶共溅射过程的OES谱图。所有曲线均显示氩气(20 sccm)的特征峰;下面的曲线是由于在纯氩气氛下的过程，在这里我们可以清楚地看到铝(396 nm)的信号。在真空室中引入不同通量的氮气(5、10和15 sccm)和氩气获得了其他曲线。我们可以观察到氮峰（N₂，n₂⁺和N (I))随氮通量的增加而增大或减小。当将氮气通量引入真空室时，我们也观察到没有有效的铝侵蚀（不存在Al峰值），这可能是由于铝 - 硅靶的氮化[9]。为了避免对目标的完全氮化并获得Al蒸发，符合S.Berg[9]，当氮通量逐渐增加时，有必要监测Al的排放。

图4。下曲线为金属模式（使用纯氩）下通过铝硅靶溅射获得的光发射光谱，上曲线为反应模式（使用氩氮）。

样品SO0N20B-250的典型X射线衍射图案如图5所示。该图案显示了多晶硅峰[JCPDS粉末衍射文件27-1402]，由于非晶态结构，在约22º处出现宽峰。这一结果表明，该样品是一种复合材料，一种非晶态硅铝氧氮和纳米晶硅的混合物，我们知道纳米晶硅的铝和氮浓度很低。

图5。SO0N20B-250涂层的X射线衍射图。

考虑到样品是复合材料，我们在显微拉曼系统光学显微镜选择的三个代表性区域进行了测量（图6）。区域1 (R1)对应微山丘特征，区域2 (R2)和区域3 (R3)分别对应微孔和表面优势区域。

图6。SO0N20B-250涂层的光学显微图，其中显示了微拉曼散射测量的选定区域。

对于每个前区域的SO0N20B-250涂层的微拉曼散射光谱如图7所示。三个光谱是类似的曲线，但R2和R3曲线显示出更强烈的峰。

图7。SO0N20B-250涂层三个代表性区域的显微拉曼散射光谱。

光谱中的主峰大约在521厘米处^-1，并且大约308厘米有弱峰^-1对应于Si晶体[10]。峰值为521厘米^-1半高宽约6.2厘米^-1．该峰值与硅球形晶粒模型的数据拟合表明，晶粒尺寸约为200 nm。这个峰值移动了3.3厘米^-1相对于非应力硅晶体。这是[11]报告结果的粗略外推，由于压缩应力约为1.4 GPa。鉴于涂层中的氮含量约为3-7at.%，一些硅颗粒可能部分氮化形成SiN_x[12]。在约480厘米处观察到的宽而弱的带^-1是由于非晶硅[10]。已知玻璃体二氧化硅的信号在约1000-1150cm^-1[13] ，但在这些光谱中未观察到。从930到1000厘米^-1存在与Al-O-Si反对称振动[13]相关的信号。

结论

在这项工作中，我们控制了三个主要的蒸发参数来生产Si-Al-O-N涂层:氧通量，氮通量和衬底偏压电位。即使在氧气通量中，也可以产生氧气掺入涂层中。将氮气引入真空室可以形成氮化物涂层，但也可以在铝靶表面形成氮化物。在铝硅靶与大气共溅射过程中氩气氮，由于Aln的薄膜出现在靶的表面上而受到部分抑制氮的蒸发。尽管在涂层上产生严重偏差的负偏压产生严重的抗腐蚀，但它将氮气吸附到涂层上。显微拉曼散射和X射线衍射测量表明，涂层是纳米晶Si-SiN的复合材料亚博网站下载_x嵌在非晶态Al-Si-O基体中

确认

作者感谢Pedro García Jiménez、JoséEleazar UrbinaÁlvarez、Martín Adelaido Hernández Landaverde、Francisco Rodríguez Melgarejo、Agustín Galindo Sifuntes、Rivelino Flores Farías和Ma的技术支持。德尔卡门·德尔加多·克鲁兹。同时，我们也要感谢s.j imenez Sandoval对解释某些结果的帮助。R. A. Vargas承认Conacyt在他的M. C.计划中指定的奖学金。这项工作得到了墨西哥国家妇女委员会的支持。

工具书类

1.陈志强，“氮陶瓷及其应用”，无机材料学报。科学。， 11(1976) 1135-1158。

2.W.E.Lee和W.M.Rainforth，“陶瓷微结构”，查普曼和霍尔，伦敦（1994），第388-411页。

3.X.-J。刘晓伟，张建军，普晓平，葛启明，黄立平，板牙。>牛。1939-1948。

4.M. Panneerselvam和K.J.饶，母料。>牛。, 38 (2003) 663 – 674.

5.K. Wasa，S. Hayakawa，“溅射沉积技术手册”，Noyes出版物，纽约（1992）PP。24,118,125-133。

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详细联系方式

雷蒙Alvaro Vargas-Ortiz

国家政治学院研究中心（互）
失去地方
图书馆编号：2000
弗拉克。真正的德Juriquilla,
76230克雷塔罗
Qro。
墨西哥

电子邮件:[受电子邮件保护]

弗朗西斯科哈维尔Espinoza-Beltran

国家政治学院研究中心（互）
失去地方
图书馆编号：2000
弗拉克。真正的德Juriquilla,
76230克雷塔罗
Qro。
墨西哥

本文还以印刷形式公布的“材料和材料加工技术进步”，Vol。亚博网站下载7 [2] 87-90（2005）。