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难混溶Al-Pb系纳米薄膜材料的界面、结构及光学性能研究

作　者: 段林昆
导　师: 孙勇
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料学
关键词: 纳米薄膜 Al-Pb难混溶体系溅射尺寸效应
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

已知种类达500种以上的难混溶合金(immiscible alloy)系中,许多合金若以适当方法得到合理组织结构,就可能表现出特殊物理和力学性能并可获广泛应用,诸如工程和电子材料。膜技术为难混溶体系的研究和应用提供了更广阔的空间和更有力的手段,溅射沉积技术更是可以沉积任何固态物质。Al-Pb系因液态宽的混溶间隙和固态极有限的互溶度,且物理化学性能上有某些互补性,成为此类研究的一种关键体系,研究Al-Pb系薄膜材料的微观结构和性能具有重要意义。采用直流磁控溅射法溅射了不同调制波长和调制周期数的Al-Pb系纳米薄膜,再利用扫描电镜和透射电镜对膜层和晶粒的形貌、尺寸大小以及存在方式等进行了观察研究,用原子力显微镜(AFM)进行表面平整度分析,用X射线衍射分析了晶体的结构特征,用X射线光电子能谱(XPS)分析样品化学成分,用能谱仪(DES)分析测量样品中各组分的含量,利用分光光度计和傅立叶变换红外光谱仪检测了多层膜对电磁波的反射和透射作用。本论文的主要结论包括：纳米Pb薄膜在磁控溅射镀膜中经历了球化和团聚长大的过程,团聚长大是Pb颗粒唯一的长大方式；Pb薄膜的球化是由于Pb薄膜表面的“厚度起伏”所演变而来的,通过对纳米Pb薄膜球化前后系统能量的推算得出,Pb/Al界面能为896.3 mJ/m2,大于Al和Pb的表面能的差值568mJ/m2且小于Al和Pb的表面能之和1722mJ/m2,正是在大的Pb/Al界面能的驱动下,纳米Pb膜发生了球化；球化后形成的Pb颗粒在Al支持膜上显示出了良好的可动性,并以团聚方式长大,降低系统的自由能。随着Pb颗粒尺寸的增加,两个Pb颗粒之间形成的颈区粗化,颈区的曲率半径因而增大。Pb颗粒团聚长大的化学驱动力随颈区的曲率半径的增大而减小,颗粒的可动性和团聚长大的速率降低。AFM和XPS表明,Al膜的表面起伏明显比Pb膜小,Al很难覆盖住Pb膜,Pb膜较容易覆盖住Al膜。由扫描电镜观察到的调制界面显示,Al/Pb多层膜在小调制波长下,Pb膜的岛屿化严重,Pb颗粒弥散地分布于Al膜之上,Pb膜生长模型为逐层生长和岛状生长,膜层及组成膜层的颗粒均具有纳米尺寸,层与层间并无明显的分界而是存在Al/Pb颗粒混溶的过渡层。TEM表明,单层膜调制波长的增加利于形成预期的完整膜层,合适的调制波长是近层状生长的必要条件；Al、Pb颗粒紊乱堆积,富Pb相的颗粒棱角较突出,颗粒上显示出衬度差异,并有衬度较低的夹杂。XRD表明本文制备出具有Pb(111)择优取向的Al-Pb薄膜,Al金属在X射线衍射谱中未出现衍射峰,说明此时生成的薄膜中Al晶粒的体积分数和晶粒尺寸较小,溅射出来的Al原子以金属非晶形式存在。纳米金属薄膜对紫外、可见、红外频段的电磁波的透光率、反射率具有明显的尺寸效应,薄膜的透光率、反射率与薄膜结构变化有直接关系。普遍规律是：随着薄膜厚度的增加,纳米金属薄膜对电磁波的透光率经过了缓慢减小-快速减小-逐渐减小-稳定的过程；相应的反射率经过了缓慢升高-快速升高-逐渐升高-稳定的过程。恰好对应着金属薄膜生长过程的岛状-岛状向网状过渡-网状向连续状过渡-连续四个阶段。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-8
第一章绪论  8-29
  1.1 纳米薄膜材料的研究进展  8-19
  1.2 难混溶体系Al-Pb合金的研究现状  19-26
  1.3 存在的问题及选题的依据和创新点  26-28
  1.4 本文研究的主要内容  28-29
第二章 Al-Pb体系薄膜材料的制备  29-45
  2.1 实验设备与工艺  29-34
  2.2 Al-Pb体系薄膜制备过程  34-45
第三章 Al-Pb体系薄膜形貌与结构研究  45-70
  3.1 交替沉积Al/Pb薄膜研究  45-63
  3.2 共沉积Al-Pb薄膜研究  63-70
第四章 Al、Pb薄膜光学性能测试  70-75
  4.1 纳米金属薄膜紫外-可见-红外区光学性能的尺寸效应  70-73
  4.2 Al、Pb薄膜光学性能尺寸效应比较  73-74
  4.3 本章小结  74-75
第五章结论与展望  75-76
  5.1 结论  75
  5.2 展望  75-76
致谢  76-77
参考文献  77-86
附录:攻读硕士学位期间发表论文  86

难混溶Al-Pb系纳米薄膜材料的界面、结构及光学性能研究

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