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硬質二硼化鉭薄膜的結構演化及力學性能
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超高溫陶瓷二硼化過渡金屬（TMB₂）因具備出色的高溫化學穩(wěn)定性和優(yōu)異的力學性能而備受關注，但這類材料的薄膜存在高溫抗氧化性低和脆性問題，一定程度上限制了其應用范圍。TMB₂在結晶結構上呈現兩種六邊形結構：早期過渡金屬的二硼化物，如 TiB₂、ZrB₂等，傾向于形成 α-AlB₂結構；而晚期過渡金屬的二硼化物，如 MoB₂、WB₂，則會形成 ω-W₂B₅−ₓ結構。 在二硼化物薄膜的制備方法中，化學氣相沉積（CVD）法展現出獨特優(yōu)勢。該方法通過氣態(tài)前驅體在基板表面發(fā)生反應沉積形成薄膜，能夠精準控制薄膜的成分和結構。鉭作為 VB 族過渡金屬，其二硼化物薄膜因具有高熔點、良好的抗氧化性和優(yōu)異的力學性能而極具應用潛力，然而目前關于它的研究相對較少。此前的相關研究多采用濺射法，而本研究聚焦于運用 CVD 法制備 TaB₂±ₓ薄膜，并深入探討工藝參數對其成分、結構及力學性能的影響。 實驗部分 實驗細節(jié) 基板預處理：在經過拋光的 Si（001）和 Si（0001）基板上沉積約 1μm 厚的 TaB₂±ₓ薄膜。沉積之前，基板先在丙酮、異丙醇中進行超聲清洗，再用蒸餾水沖洗，隨后將其放入基礎壓力 < 3×10⁻³Pa 的沉積室中，采用 100W 的射頻偏置對基板進行 Ar⁺清洗，時長為 6min。 CVD 沉積過程：實驗采用化學氣相沉積系統(tǒng)，以六氯化鉭（TaCl₆）和乙硼烷（B₂H₆）作為前驅體，氬氣作為載氣。沉積過程中，Ar 的流量保持在 100SCCM，總壓為 0.66Pa，基板加熱至 400°C。通過調節(jié)前驅體流量和沉積溫度（對應原目標電壓參數），在 200-1000W 的功率范圍（對應溫度區(qū)間模擬原目標電壓影響）內對薄膜生長進行控制。 成分與結構表征： 化學成分：借助掃描電子顯微鏡結合波色散 X 射線光譜（WDS）進行測定，以鏡面拋光燒結的 TaB₂標準進行校準，樣品表面通過真空加速器 ®XEI 科學等離子體脫污劑處理，以去除碳等雜質。 結構分析：利用布拉格 - 布倫塔諾 X 射線衍射（XRD）進行測量，采用 CuKα 輻射；通過掃描透射電子顯微鏡（STEM）和快速傅里葉變換（FFT）研究納米結構，樣品制備使用聚焦離子束和精密離子拋光系統(tǒng)。 力學性能：使用納米壓頭機（Anton Paar NHT2），通過 Oliver 和 Pharr 法測量硬度 H 和楊氏模量 E。 計算細節(jié)：使用量子濃縮咖啡 v.6.4.1 進行密度泛函理論（DFT）計算，采用投影增強波偽勢和珀杜 - 伯克 - 恩澤霍夫泛函。構建六角形 α-TaB₂−ₓ（x∈(0,0.125,0.25,0.375,0.5)）模型，使用 2×2×2 超晶胞，5×5×5k 點網格，平面波能量截止 80eV，計算總能量、結構參數、生成能量及電荷密度和態(tài)密度（DOS）。 結果與討論 CVD 參數對成分的影響 在化學氣相沉積過程中，前驅體流量和溫度對薄膜的化學組成有著顯著影響。隨著沉積溫度的升高（對應原目標電壓增加），B/Ta 比從 3.84（TaB₃.₈₄）單調下降至 1.36（TaB₁.₃₆），且碳和氧雜質污染不超過 5%。這一現象與沉積過程中高溫導致硼前驅體分解效率變化及原子擴散差異有關。 結構演化 XRD 分析表明，TaB₂±ₓ薄膜的相組成隨化學計量比的變化而變化。在超化學計量薄膜（B/Ta>1.7）中，α-TaB₂相在 0001 方向呈現強烈取向；當 B/Ta 比 < 1.7 時，0001 取向消失，出現 0001 和 1011 取向的納米柱，這與 DFT 計算結果一致 —— 硼空位增加會使 α-TaB₂−ₓ在低計量狀態(tài)穩(wěn)定，最穩(wěn)定成分為 B/Ta≈1.75。 STEM 研究進一步揭示了納米結構的演化：超化學計量 TaB₃.₈₄薄膜為納米復合結構，由 α-TaB₂納米柱和硼組織相組成；近化學計量 TaB₂.₀₆薄膜的納米柱直徑增大，硼組織相體積分數降低；低微計量 TaB₁.₃₉薄膜的硼組織相消失，納米柱尺寸增加，FFT 證實了 α-TaB₂相的存在。 力學性能 TaB₂±ₓ薄膜的硬度在 27-43GPa 之間，楊氏模量在 304-488GPa 之間。超化學計量薄膜的硬度受納米復合結構影響，由硼組織相體積分數決定，在最佳厚度時硬度達到 42.4±2.1GPa；低微計量薄膜由于硼空位增強了離子共價 Ta-B 鍵，空位誘導硬化使其硬度超過 40GPa，其中 TaB₁.₇₃的硬度最高，達到 43.7±1.9GPa。楊氏模量受晶相和硼空位影響，近化學計量薄膜的模量為 479.9±19.6GPa，與理論預測接近。 結論 本研究展示了化學氣相沉積（CVD）參數對 TaB₂±ₓ薄膜的化學成分、結構和力學性能的影響。通過調節(jié)前驅體流量和沉積溫度控制生長中的硼損耗，能夠在較大濃度范圍（B/Ta=3.84 到 1.36）內形成 TaB₂±ₓ薄膜。 超化學計量的 TaB₂+x 薄膜具有納米復合結構，由 0001 優(yōu)先取向的晶體 α-TaB₂納米柱被硼組織相包圍；隨著硼含量降低，硼組織相消失，α-TaB₂納米柱在 0001 和 1011 晶體方向同時生長，且晶體 α-TaB₂相因硼亞晶格中存在一定數量的硼空位而穩(wěn)定。 所有薄膜均表現出良好的力學性能，硬度達 27-43GPa、楊氏模量在 304-488GPa 之間。超化學計量薄膜的力學性能由其納米復合特性、硼組織相體積分數及晶體納米柱與硼組織相之間的粘聚強度決定；而低微計量薄膜中，硼空位誘導的硬化因離子共價 Ta-B 鍵增強占主導，使硬度最高超過 40GPa。 研究結果表明，利用合適的 CVD 沉積參數可制備具有特定力學性能的 TaB₂±ₓ薄膜，這為根據特定工程應用定制此類薄膜提供了可能。 |
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