论文部分内容阅读
微机电系统(MEMS)通过元件微型化,信息处理集成化和功能多样化开辟了一个全新的技术领域和产业。在二十一世纪,MEMS深入到国民经济的各个领域,展现出广阔的应用前景。微驱动器是完成微机电系统与周边环境进行物质能量交换的关键部件,其性能的优劣直接关系到整个微机电系统的运行和发展。磁控溅射Ti-Ni合金薄膜以其结构简单、作功能力强,响应速度快以及易于集成化制造等优点,成为备受瞩目的一类微驱动器材料。从MEMS实际应用出发,对Ti-Ni合金薄膜制备工艺、显微结构、性能之间关系的深入理解是预测、改善和充分发挥薄膜材料特性,优化微型驱动器设计,提高MEMS器件寿命与可靠性的关键。本研究采用合金靶材,以磁控溅射法制备了不同成分的Ti-Ni合金薄膜,分析了薄膜的组织结构、相变特性随退火工艺的变化规律;揭示了非晶态薄膜的等温、非等温晶化行为;考察了晶态薄膜不同相的表面形貌,表面粗糙度与膜基结合强度;同时评估了微观尺度下薄膜的伪弹性和力学性能,研究了具有(110)织构的沉积态Ti-Ni合金薄膜的高温氧化特性。这些研究不仅对Ti-Ni合金薄膜在MEMS领域中的应用具有指导意义,而且可以拓宽Ti-Ni合金薄膜的基础性研究,充实形状记忆合金的理论内容,发展功能薄膜材料的相关技术。室温基底上溅射沉积的Ti-Ni合金薄膜均为非晶无序结构,经过450oC～600oC退火后,薄膜发生晶化。退火态Ti47.8Ni52.2、Ti48.7Ni51.3及Ti50.9Ni49.1薄膜的基体分别为B2母相、R相及B19’马氏体相。当在较高温度下(500oC以上,包括500oC)退火时,非等原子比Ti-Ni合金薄膜将从基体中析出第二相。Ti50.9Ni49.1薄膜的析出相为Ti2Ni,Ti47.8Ni52.2及Ti48.7Ni51.3薄膜的析出相为Ni4Ti3。随着退火温度的提高,Ti47.8Ni52.2薄膜的(逆)马氏体相变特征温度(As、Af、Ms、Mf)上升;Ti48.7Ni51.3薄膜的As、Af、Ms、Mf先降低后上升,R相变温度(Rs、Rf)近似恒定;Ti50.9Ni49.1的马氏体相变温度(Ms、Mf)对退火温度并不敏感,逆马氏体相变温度(As、Af)则随退火温度的提高而上升。对溅射沉积Ti-Ni二元合金薄膜来说,较高的位错密度是形成R相变的决定因素,合金成分与第二相的析出并不是发生R相变的必要条件。溅射功率的提高,将减少Ti-Ni合金薄膜的位错密度,抑制R相变的发生。分析沉积态Ti-Ni合金薄膜在不同升温速率下的DSC曲线可知,非晶态Ti-Ni合金薄膜的非等温晶化呈现一步晶化过程,晶化温度在450~550oC之间,且随着升温速率的增加,晶化温度向高温方向移动。不同成分Ti-Ni合金薄膜的晶化动力学Kissinger计算表明,随着薄膜成分与Ti、Ni等原子比的偏离不断增加,晶化激活能逐渐提高,稳定性上升。近等原子比Ti-Ni合金薄膜(49.88at.%Ti:50.02at.%Ni)在420oC不能发生等温晶化,随着退火温度的提高,Ti-Ni合金薄膜将呈现B2母相结构。XRD分析表明在425oC～450oC晶化后,Ti-Ni合金薄膜具有很强的择优取向,呈现(110)丝织构。根据原位XRD结果,借助JMA模型,计算得知Ti-Ni合金薄膜的Avrami指数在2.0~2.4之间,晶化激活能为358.1 kJ/mol。由此认为Ti-Ni合金薄膜的等温晶化遵循非均匀形核机制,显示界面控制的一维晶粒形核和长大特征,并呈现柱状的微观结构。以原子力显微镜和纳米压痕仪的划痕系统分别表征了Ti-Ni合金薄膜的表面形貌和膜基结合强度。当在450~600oC温度区间内退火后,Ti-Ni合金薄膜试样的表面粗糙度(Rq)随退火温度的增加逐渐升高。原子力显微镜的形貌分析表明这一现象可归因于Ti-Ni合金薄膜晶化过程中,柱状晶核的生长。经热处理工艺后,Ti-Ni合金薄膜B2母相的Rq值在1.2~3.0之间,R相的Rq值在5.5~9.0之间,马氏体相的Rq值在8~16之间。此外比较纳米划痕试验中不同相结构Ti-Ni合金薄膜的临界法向载荷可知,在(100)单晶Si基底上Ti-Ni合金薄膜B2母相的膜基结合强度最大,马氏体相的膜基结合强度最小,R相的膜基结合强度介于两者之间。以纳米压痕技术表征Ti-Ni合金薄膜纳米尺度的伪弹性和力学性能。分析纳米压痕试验结果可知,退火态Ti47.8Ni52.2、Ti48.7Ni51.3及Ti50.9Ni49.1薄膜的显微硬度和弹性模量依次增大,这与它们基体相(分别为B2母相、R相和马氏体相)的晶体结构和滑移体系有关。此外退火态Ti-Ni合金薄膜的显微硬度及弹性模量一般随退火温度的提高而逐渐增加。但值得注意的是Ti48.7Ni51.3薄膜在500oC退火时,薄膜显示最大的显微硬度和弹性模量,这与Ni4Ti3相的析出效应有关。沉积态Ti-Ni合金薄膜和退火态Ti48.7Ni51.3、Ti50.9Ni49.1薄膜不显示纳米伪弹性。Ti47.8Ni52.2薄膜由于基体为B2母相,逆马氏体相变起始温度在室温以上,将在纳米压痕试验中展示完整的伪弹性过程。当Ti47.8Ni52.2薄膜在450oC~600oC退火时,随退火温度的提高,薄膜的伪弹性回复率η先增大后减小,其值在44.9%～72.7%之间。此外,Ti47.8Ni52.2薄膜的η值与施加载荷的大小也有关。当最大载荷为10mN时,550oC退火的Ti47.8Ni52.2薄膜伪弹性回复率η达到72.7%。研究表明Ti-Ni合金薄膜的伪弹性回复率高于Ti-Ni块体合金的伪弹性回复率(均在45%以下)。在高温基底上沉积得到具有(110)织构的沉积态Ti-Ni合金薄膜,考察了薄膜分别在550oC、600oC和650oC的氧化行为。发现Ti-Ni合金薄膜在550oC、600oC和650oC的等温氧化动力学遵循抛物线规律,并随着氧化温度的提高,氧化速率常数增大。氧化Ti-Ni合金薄膜由TiO2, TiNi3和B2相组成。随着氧化温度的提高,TiO2和TiNi3的含量增加,B2相的含量减少。对Ti-Ni合金薄膜氧化膜的俄歇成分-深度分析表明,氧化膜由最外层和富Ni层组成,在这两层中均含有TiO2,且TiO2含量随着薄膜深度的增加而递减。TiNi3和B2相皆有可能分布在这两层之中。随着氧化温度的提高,Ti-Ni合金薄膜氧化膜的最外层和富Ni层的厚度不断增加。此外,高温氧化使Ti-Ni合金薄膜表面趋于平滑,随着氧化温度的提高,Ti-Ni合金薄膜的表面粗糙度逐渐降低。