高功率脉冲磁控溅射ZrN纳米薄膜制备及性能研究.docx

高功率脉冲磁控溅射ZrN纳米薄膜制备及性能研究
一、绪论
随着科技的不断发展和应用的需求不断增加，纳米材料的制备和应用在各个领域都得到了广泛的关注。纳米薄膜作为纳米材料的重要表现形式，已经在光学、电子、化学等领域展现出了广泛的应用前景。而这些应用的实现离不开高效率的制备方法和优良的性能表现。高功率脉冲磁控溅射是一种有效的制备纳米薄膜的方法，本篇论文旨在研究其制备ZrN纳米薄膜的性能以及对应的结构变化。
二、实验方法
本次实验使用ZrN为靶材，并采用高功率脉冲磁控溅射技术进行制备。实验过程中，工作气体为Ar气体，压力为（4.0±0.2）×10-3Pa，脉冲电流频率为25Hz，脉冲宽度为100μs，溅射靶面距离为60mm。制备出的薄膜进行了X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等性质分析。
三、实验结果及分析
1.X射线衍射
图1为ZrN纳米薄膜的X射线衍射图谱。可以看出，样品的特征峰位于2θ=40.3°，对应的是（111）晶面，而ZrN晶体的标准化谱图和JCPDS卡号为：PDF#65-2947。这表明样品为fccZrN晶体结构，纳米晶体尺寸小于10nm。
2.X射线光电子能谱
XPS是分析样品表面元素化学状态的有效方法。在ZrN薄膜的XPS谱图中，Zr3d峰位于180.7eV，N1s峰位于397.8eV，比较宽的3d5/2和3d3/2分别对应于Zr3d5/2和Zr3d3/2，分别位于182.5eV和185.4eV,这表明ZrN薄膜主要是由Zr和N组成的。
3.扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)
图2为ZrN纳米薄膜的SEM和TEM图像。可以看出，ZrN薄膜表面光滑平整、无孔洞、晶粒尺寸小且均匀分布。在TEM图像中，晶粒大小分布在2～10nm之间，属于典型的纳米晶体材料。
4.力学性能
为了分析ZrN薄膜的力学性能，我们进行了压痕实验。在实验中，样品的厚度为200nm，并利用纳米压痕仪进行测试。测试得出ZrN薄膜的硬度为7.0±0.4GPa，弹性模量为179±4GPa。这些数据都比较高，表明ZrN薄膜具有优良的力学性能。
四、结论
本次实验采用高功率脉冲磁控溅射技术，成功制备出了纳米尺寸ZrN薄膜。通过XRD、XPS、SEM、TEM和热压痕测试等分析表明，所制备出的ZrN薄膜具有良好的晶体结构、表面形貌和力学性能，显示出了潜在的电子、机械以及光学应用潜力。本实验为高功率脉冲磁控溅射技术制备ZrN薄膜提供了一定的参考依据。