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艾因斯新蟲 (小有名氣)
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硬質(zhì)二硼化鉭薄膜的結(jié)構(gòu)演化及力學(xué)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(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的力學(xué)性能而備受關(guān)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(yīng)用范圍。TMB₂在結(jié)晶結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)兩種六邊形結(jié)構(gòu)：早期過渡金屬的二硼化物，如 TiB₂、ZrB₂等，傾向于形成 α-AlB₂結(jié)構(gòu)；而晚期過渡金屬的二硼化物，如 MoB₂、WB₂，則會形成 ω-W₂B₅−ₓ結(jié)構(gòu)。 在二硼化物薄膜的制備方法中，化學(xué)氣相沉積（CVD）法展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。該方法通過氣態(tài)前驅(qū)體在基板表面發(fā)生反應(yīng)沉積形成薄膜，能夠精準(zhǔn)控制薄膜的成分和結(jié)構(gòu)。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(xué)性能而極具應(yīng)用潛力，然而目前關(guān)于它的研究相對較少。此前的相關(guān)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(shù)對其成分、結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。 實驗部分 實驗細節(jié) 基板預(yù)處理：在經(jīng)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(chǔ)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(xué)氣相沉積系統(tǒng)，以六氯化鉭（TaCl₆）和乙硼烷（B₂H₆）作為前驅(qū)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(diào)節(jié)前驅(qū)體流量和沉積溫度（對應(yīng)原目標(biāo)電壓參數(shù)），在 200-1000W 的功率范圍（對應(yīng)溫度區(qū)間模擬原目標(biāo)電壓影響）內(nèi)對薄膜生長進行控制。 成分與結(jié)構(gòu)表征： 化學(xué)成分：借助掃描電子顯微鏡結(jié)合波色散 X 射線光譜（WDS）進行測定，以鏡面拋光燒結(jié)的 TaB₂標(biāo)準(zhǔn)進行校準(zhǔn)，樣品表面通過真空加速器 ®XEI 科學(xué)等離子體脫污劑處理，以去除碳等雜質(zhì)。 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，樣品制備使用聚焦離子束和精密離子拋光系統(tǒng)。 力學(xué)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(gòu)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(wǎng)格，平面波能量截止 80eV，計算總能量、結(jié)構(gòu)參數(shù)、生成能量及電荷密度和態(tài)密度（DOS）。 結(jié)果與討論 CVD 參數(shù)對成分的影響 在化學(xué)氣相沉積過程中，前驅(qū)體流量和溫度對薄膜的化學(xué)組成有著顯著影響。隨著沉積溫度的升高（對應(yīng)原目標(biāo)電壓增加），B/Ta 比從 3.84（TaB₃.₈₄）單調(diào)下降至 1.36（TaB₁.₃₆），且碳和氧雜質(zhì)污染不超過 5%。這一現(xiàn)象與沉積過程中高溫導(dǎo)致硼前驅(qū)體分解效率變化及原子擴散差異有關(guān)。 結(jié)構(gòu)演化 XRD 分析表明，TaB₂±ₓ薄膜的相組成隨化學(xué)計量比的變化而變化。在超化學(xué)計量薄膜（B/Ta>1.7）中，α-TaB₂相在 0001 方向呈現(xiàn)強烈取向；當(dāng) B/Ta 比 < 1.7 時，0001 取向消失，出現(xiàn) 0001 和 1011 取向的納米柱，這與 DFT 計算結(jié)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(jié)構(gòu)的演化：超化學(xué)計量 TaB₃.₈₄薄膜為納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，由 α-TaB₂納米柱和硼組織相組成；近化學(xué)計量 TaB₂.₀₆薄膜的納米柱直徑增大，硼組織相體積分?jǐn)?shù)降低；低微計量 TaB₁.₃₉薄膜的硼組織相消失，納米柱尺寸增加，F(xiàn)FT 證實了 α-TaB₂相的存在。 力學(xué)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(xué)計量薄膜的硬度受納米復(fù)合結(jié)構(gòu)影響，由硼組織相體積分?jǐn)?shù)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(dǎo)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(xué)計量薄膜的模量為 479.9±19.6GPa，與理論預(yù)測接近。 結(jié)論 本研究展示了化學(xué)氣相沉積（CVD）參數(shù)對 TaB₂±ₓ薄膜的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。通過調(diào)節(jié)前驅(qū)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(nèi)形成 TaB₂±ₓ薄膜。 超化學(xué)計量的 TaB₂+x 薄膜具有納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，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(shù)量的硼空位而穩(wěn)定。 所有薄膜均表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能，硬度達 27-43GPa、楊氏模量在 304-488GPa 之間。超化學(xué)計量薄膜的力學(xué)性能由其納米復(fù)合特性、硼組織相體積分?jǐn)?shù)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(dǎo)的硬化因離子共價 Ta-B 鍵增強占主導(dǎo)，使硬度最高超過 40GPa。 研究結(jié)果表明，利用合適的 CVD 沉積參數(shù)可制備具有特定力學(xué)性能的 TaB₂±ₓ薄膜，這為根據(jù)特定工程應(yīng)用定制此類薄膜提供了可能。 |
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