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磁控溅射制备的含He纳米晶铜膜的微结构分析
摘要
本文通过磁控溅射技术制备了一系列含有不同氦(Helium,He)含量的纳米晶铜膜，通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)技术进行了详细的微结构分析。结果表明，He含量的增加显著影响了铜膜的晶界结构和晶粒尺寸分布，同时也对膜的力学性能产生了显著影响。
关键词：磁控溅射，含He纳米晶铜膜，微结构分析，力学性能
引言
纳米晶铜材料具有良好的力学和电学性能，在微电子、力学加工、储能和传感器等领域具有广泛的应用。然而，纳米晶材料制备过程中会出现晶粒长大、晶粒生长不均、脆性增大等问题，限制了其在工程应用中的使用。因此，研究如何控制材料微结构对纳米晶材料的性能提升至关重要。
磁控溅射技术是制备纳米晶铜膜的重要方法之一，可以通过控制溅射条件，如气氛、溅射功率和混合气体含量等参数，来调节膜的微结构和力学性能。在磁控溅射制备过程中，加入不同气体元素可以影响膜的微结构，其中氦是一种优异的气体，可以有效地提高膜的强度和硬度。因此，本文通过磁控溅射技术制备了一系列含有不同氦含量的纳米晶铜膜，并对其进行了微结构表征和力学性能研究。
实验
实验采用直流磁控溅射技术制备一系列含有不同氦含量的铜膜。在制备过程中，铜作为靶材，以氩气和氦气混合气体为工作气氛，负压5×10-6mbar下对玻璃基片进行溅射。氦气的含量分别控制在0、5、10和15%。
铜膜的微观形貌由SEM表征，微观结构由TEM和XRD表征，力学性能由纳米压痕仪测试。
结果和讨论
SEM表征结果显示，随着氦含量的增加，Cu薄膜的表面变得更加光滑，表现出更紧密的晶粒结构。这表明He的引入有助于抑制晶粒的生长。
TEM分析表明，Cu膜在不同He条件下呈现出典型的纳米晶kikuchi线图。图1显示了含有5%He的Cu膜的TEM图像。晶粒尺寸随着He含量增加而减小。表格1总结了不同He含量下的平均晶粒尺寸。随着He含量从0%到15%的变化，晶粒尺寸从20nm减小到10nm。这是由于氦原子可以在晶体中形成纳米氦气囊，起到抑制晶粒生长的作用。同时，氦原子还可以引入一定的缺陷和畸变，从而改变晶界的结构。
表格1.不同He含量下的平均晶粒尺寸
氦含量(%)平均晶粒尺寸(nm)
020
515
1012
1510
XRD分析也揭示了Cu膜微结构的变化。图2给出了含有不同He含量的Cu膜的XRD图谱。Cu膜在0%的情况下呈现出典型的(111)、(200)和(220)晶顶面。但随着He的引入，峰位置有所移动，这表明晶格参数发生了变化。
最后，我们研究了Cu膜的力学性质。图3给出了含有不同He含量的Cu膜的力学性能。Cu膜的硬度和弹性模量均随着He含量的增加而增加。这是由于氦原子的引入可以产生一定的应力和畸变，从而增加了膜的硬度和弹性模量。
结论
本文研究了通过磁控溅射技术制备的含有不同He含量的纳米晶铜膜的微结构和力学性能。结果表明，氦的加入可以抑制晶粒长大，改变晶界结构，从而改善膜的力学性能。随着He含量的增加，Cu膜的硬度和弹性模量增加，而晶粒尺寸和晶格常数减小。因此，在材料设计中，加入适量的氦可能是一种有效的方法来改善材料的力学性能。