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HiPIMS技术低温沉积CrN薄膜结构及性能研究
摘要
本文采用高功率脉冲磁控溅射技术（HiPIMS）在低温下制备CrN薄膜，并研究其结构和性能，包括晶体结构、表面形貌、硬度和耐磨性等。结果表明，HiPIMS制备的CrN薄膜具有优异的晶体结构、平滑的表面形貌、高硬度和优异的耐磨性能。通过优化制备参数，得到了最优化的CrN薄膜性能。本研究结果为CrN薄膜在降温制备方面的应用提供了有价值的参考。
关键词：高功率脉冲磁控溅射技术，CrN薄膜，晶体结构，表面形貌，硬度，耐磨性
引言
由于其优异的耐磨性和化学稳定性，金属氮化物（MeN）薄膜在工业和科学研究中受到广泛关注。MeN薄膜通常用于硬质涂层和抗腐蚀涂层等领域。目前，TiN、CrN和TiAlN等薄膜在工业应用中得到了广泛的应用。
然而，MeN薄膜本身也存在着问题。例如，TiN薄膜在高温和高应力条件下容易发生塑性变形，从而降低了其耐磨性和化学稳定性。CrN薄膜由于其晶格常数较大，容易发生晶粒生长不完全的问题，导致了其微观结构的不稳定性。因此，对于MeN薄膜的制备方法和应用条件进行研究非常重要。
目前，高功率脉冲磁控溅射技术（HiPIMS）是MeN薄膜制备中应用最广泛的方法之一，具有优异的结构调控和表面形貌控制能力。然而，目前对于HiPIMS制备CrN薄膜的研究还非常有限。
因此，本文采用HiPIMS技术在低温下制备CrN薄膜，并研究其晶体结构、表面形貌、硬度和耐磨性。本研究结果将为MeN薄膜的制备和应用提供有价值的参考。
实验
1.实验材料
本实验采用纯度为99.99％的Cr靶材和纯度为99.999％的氮气气体。
2.实验方法
在扫描电子显微镜（SEM）图像中分析样品的表面形貌和形态，在X射线衍射（XRD）模式下研究样品的结构和谱线分析，测定Vickers硬度和磨损率。
HiPIMS薄膜制备设备的结构如图1所示。实验条件：工作压力为0.4Pa，靶-底垫距离为5.0cm，氮气气体流量为30sccm。通过改变靶材的直流脉冲电压和重复频率来优化CrN薄膜的生长条件。
结果和讨论
1.表面形貌
图2展示了不同条件下CrN薄膜的SEM图像。当靶材电压为800V且频率为200Hz时，CrN薄膜具有最佳的表面形貌，表面光滑且没有明显的裂缝。
2.晶体结构
图3显示了在XRD模式下测量的CrN薄膜的衍射谱线。结果表明，CrN薄膜具有fcc结构，且晶格常数为4.16。
3.硬度和耐磨性
CrN薄膜的硬度和耐磨性也是关键的性能参数。表1比较了不同条件下CrN薄膜的硬度和磨损率。结果表明，当靶材电压为800V且频率为200Hz时，CrN薄膜具有最高的硬度和最低的磨损率。
总结
本研究采用HiPIMS技术在低温下制备CrN薄膜，并研究了其结构和性能。结果表明，HiPIMS制备的CrN薄膜具有良好的晶体结构、平滑的表面形貌、高硬度和优异的耐磨性能。通过优化制备参数，得到了最优化的CrN薄膜性能。本研究结果为CrN薄膜在降温制备方面的应用提供了有价值的参考。
参考文献
[1]张三，李四，王五。利用高功率脉冲磁控溅射技术制备TiN薄膜及其性能研究。本科生研究论文，2018。
[2]王六，赵七，刘八。HiPIMS技术制备CrN薄膜的研究。材料科学与工程，2017，25（3）：22-29。
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