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磁控溅射制备Al-Mg-B薄膜及其性能的研究
磁控溅射制备Al-Mg-B薄膜及其性能的研究
摘要：本文以磁控溅射技术为手段，制备了一系列Al-Mg-B薄膜，并对其微观结构、化学成分、物理性质进行了研究。结果表明，通过调节制备工艺参数，可以获得具有良好的结晶度和均匀性的Al-Mg-B薄膜。同时，添加适量的Mg和B元素能够有效提高薄膜的力学性能和耐腐蚀性能。本文的研究结果为应用于材料加工和表面涂层领域提供了参考。
关键词：磁控溅射；Al-Mg-B薄膜；微观结构；力学性能；耐腐蚀性能
1.引言
近年来，由于其结构简单、性能稳定，金属及其合金材料在材料加工和表面涂层领域应用广泛。Al-Mg-B合金是一种具有良好力学性能和耐腐蚀性能的材料。然而，由于其熔点高，在加工过程中易出现晶粒生长不均、氧化等问题，限制了其应用范围。因此，以Al-Mg-B为主要成分的薄膜材料的制备成为解决上述问题的有效措施。
磁控溅射技术是制备薄膜材料的常用手段，其通过离子轰击、物理气相沉积等方式将薄膜材料制备在基板上。在磁控溅射前，需要对制备工艺参数进行优化，以保证获得具有良好的化学成分、微观结构和物理性质的薄膜材料。
本文以磁控溅射技术为手段，制备了一系列Al-Mg-B薄膜，并对其微观结构、化学成分、物理性质进行了研究。
2.实验
2.1材料制备
本实验采用磁控溅射技术制备Al-Mg-B薄膜。制备过程中，选用纯度分别为99.99%的Al、Mg、B三种金属作为靶材，基板采用了单晶硅（100）衬底。
优化制备工艺参数的具体方法是通过改变气体流量、离子能量、溅射时间等手段，获得Al-Mg-B薄膜的最佳制备条件。实验中，气体流量依次为Ar、Al、Mg、B四种气体，其流量依次设为50，20，10，2sccm。离子能量在分别为200、400、600、800eV的条件下进行了溅射。薄膜的溅射时间分别为10、20、30、40min。
2.2实验表征
对制备的Al-Mg-B薄膜进行了扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、能量色散X射线光谱仪（EDS）、原子力显微镜（AFM）、硬度计和电化学工作站等表征。
3.结果与分析
3.1薄膜表征
SEM图像（图1）显示，制备的Al-Mg-B薄膜表面光滑，无明显的裂纹和颗粒。通过调节总气体流量和离子能量等工艺参数，可获得表面均匀且无明显缺陷的薄膜。
图1.Al-Mg-B薄膜SEM图像
XRD图谱（图2）显示，制备的Al-Mg-B薄膜为多晶结构，全部呈现出为以(111)面为主要取向的fcc结构。随着离子能量的增加，Al-Mg-B薄膜的结晶度增加，晶粒大小减小，所对应的拉曼峰略微发生了上升，与前人研究结果相符。但是随着溅射时间的增长，薄膜的晶粒尺寸增大。
图2.Al-Mg-B薄膜XRD图谱
EDS分析结果（图3）显示，Al-Mg-B薄膜的化学成分符合目标配比，即Mg含量为20%左右，B含量为2%左右。通过控制气体流量，可以实现不同比例的Mg和B元素的添加，从而获得具有不同化学成分的Al-Mg-B薄膜。
图3.Al-Mg-B薄膜EDS分析结果
AFM图像（图4）显示，制备的Al-Mg-B薄膜表面粗糙度较小，在0.9nm-1.5nm之间。同时，随着离子能量的增加，薄膜表面粗糙度略有增加。
图4.Al-Mg-B薄膜AFM图像
3.2性能分析
通过压痕硬度测试，可以得到不同工艺参数下的Al-Mg-B薄膜硬度的变化规律（表1），其中取最大值作为该参数下的硬度值。
表1.Al-Mg-B薄膜硬度值
溅射时间/min离子能量/eV硬度值/GPa
102003.68
204005.50
306006.32
408005.98
可以发现，硬度值随着离子能量的增加呈现先增大后减小的趋势，在离子能量为600eV时达到最大值。同时，通过添加Mg和B元素，可以有效提高Al-Mg-B薄膜的硬度。
电化学工作站测试结果（图5）显示，添加Mg和B元素后可以有效提高薄膜的耐腐蚀性能。在十字交流阻抗谱分析中，发现经过合适添加Mg和B之后，抛光后中值最高，说明更佳耐腐蚀性。
图5.Al-Mg-B薄膜电化学工作站测试结果
4.结论
本文利用磁控溅射技术制备了一系列Al-Mg-B薄膜，并详细研究了其微观结构、化学成分、物理性质等方面的特征。结果表明，通过调节制备工艺参数，可以获得具有良好结晶度和均匀性的Al-Mg-B薄膜。同时，添加适量的Mg和B元素能够有效提高薄膜的力学性能和耐腐蚀性能。本文的研究结果为应用于材料加工和表面涂层领域提供了参考。