材料分析方法課程設(shè)計(jì)磁控濺射CW多層膜成分及微觀分析

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1、材料分析方法課程設(shè)計(jì) 1 材料分析測試方法 課程設(shè)計(jì)（論文） 題目： 磁控濺射C/W多層膜成分及微觀分析 學(xué) 院 材料科學(xué)與工程 專 業(yè) 材料化學(xué) 班 級 材化082 學(xué) 生 王維娜 學(xué) 號 3080101296 指導(dǎo)教師 陳迪春 起止時間 2010.12.27-2011.1.1 2010年 秋季 學(xué)期 材料分析方法課程設(shè)計(jì) 2 材料分析測試方法課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 材料物理與化學(xué)系 材料化學(xué)專業(yè) 材化082班 1組 王維娜 課程設(shè)計(jì)題目： 磁控濺射C/W多層膜成分及微觀分析 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容要求： 掌握高分辨透射電子顯微鏡樣品制備方法，學(xué)習(xí)并了解真空鍍 膜技術(shù)-磁控濺射技術(shù)，多層膜制備過程，以及其微觀

2、結(jié)構(gòu)分析，成 分分析所用儀器和原理。 學(xué)生（簽名） 年 月 日 材料分析方法課程設(shè)計(jì) 3 材料分析測試方法課程設(shè)計(jì)評語 指導(dǎo)教師（簽名） 年 月 日 材料分析方法課程設(shè)計(jì) 4 目錄 材料分析測試方法 .1 第一章 前言 .5 1.1 磁控濺射 .5 1.2 X 射線衍射儀 .5 1.3 透射電子顯微鏡 .6 1.4 X 射線光電子能譜儀（XPS） .7 第二章 實(shí)驗(yàn)方法 .9 2.1 TEM 樣品的制備方法 .9 2.2 實(shí)驗(yàn)方法 .10 2.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) .11 第三章 分析結(jié)果與討論 .12 3.1 C/W 薄膜的 XRD 衍射分析 .12 3.2 C/W 薄膜截面 TEM 分析 .1

3、2 3.3 C/W 薄膜的 XPS 分析 .14 第四章 結(jié)論 .16 參考文獻(xiàn)： .17 材料分析方法課程設(shè)計(jì) 5 第一章 前言 本次課程設(shè)計(jì)使用磁控濺射離子鍍技術(shù)以純鎢靶和石墨靶作為濺射源制備 含W或WC相的碳基納米復(fù)合多層膜，對薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和相組成進(jìn)行了系統(tǒng)分析。 1.1 磁控濺射 磁 控 濺 射 的 工 作 原 理 是 指 電 子 在 電 場 E 的 作 用 下 ， 在 飛 向 基 片 過 程 中 與 氬 原 子 發(fā) 生 碰 撞 ， 使 其 電 離 產(chǎn) 生 出 Ar 和 新 的 電 子 ； 新 電 子 飛 向 基 片 ， Ar 在 電 場 作 用 下 加 速 飛 向 陰 極 靶 ，

4、并 以 高 能 量 轟 擊 靶 表 面 ， 使 靶 材 發(fā) 生 濺 射 。 在 濺 射 粒 子 中 ， 中 性 的 靶 原 子 或 分 子 沉 積 在 基 片 上 形 成 薄 膜 ， 而 產(chǎn) 生 的 二 次 電 子 會 受 到 電 場 和 磁 場 作 用 ， 產(chǎn) 生 E（ 電 場 ） B（ 磁 場 ） 所 指 的 方 向 漂 移 ， 簡 稱 EB 漂 移 ， 其 運(yùn) 動 軌 跡 近 似 于 一 條 擺 線 。 若 為 環(huán) 形 磁 場 ， 則 電 子 就 以 近 似 擺 線 形 式 在 靶 表 面 做 圓 周 運(yùn) 動 ， 它 們 的 運(yùn) 動 路 徑 不 僅 很 長 ， 而 且 被 束 縛 在 靠

5、 近 靶 表 面 的 等 離 子 體 區(qū) 域 內(nèi) ， 并 且 在 該 區(qū) 域 中 電 離 出 大 量 的 Ar 來 轟 擊 靶 材 ， 從 而 實(shí) 現(xiàn) 了 高 的 沉 積 速 率 。 隨 著 碰 撞 次 數(shù) 的 增 加 ， 二 次 電 子 的 能 量 消 耗 殆 盡 ， 逐 漸 遠(yuǎn) 離 靶 表 面 ， 并 在 電 場 E 的 作 用 下 最 終 沉 積 在 基 片 上 。 由 于 該 電 子 的 能 量 很 低 ， 傳 遞 給 基 片 的 能 量 很 小 ， 致 使 基 片 溫 升 較 低 。 磁 控 濺 射 的 特 點(diǎn) 是 成 膜 速 率 高 ， 基 片 溫 度 低 ， 膜 的 粘 附 性

6、好 ， 可 實(shí) 現(xiàn) 大 面 積 鍍 膜 。 因此利用非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)以純鎢和純石墨靶作為濺射源制備 C/W 納米多層膜。 1.2 X 射線衍射儀 材料分析方法課程設(shè)計(jì) 6 1.2.1 X 射 線 衍 射 分 析 工 作 原 理 1912 年 勞 埃 等 人 根 據(jù) 理 論 預(yù) 見 ， 并 用 實(shí) 驗(yàn) 證 實(shí) 了 X 射 線 與 晶 體 相 遇 時 能 發(fā) 生 衍 射 現(xiàn) 象 ， 證 明 了 X 射 線 具 有 電 磁 波 的 性 質(zhì) ， 成 為 X 射 線 衍 射 學(xué) 的 第 一 個 里 程 碑 。 當(dāng) 一 束 單 色 X 射 線 入 射 到 晶 體 時 ， 由 于 晶 體 是 由 原

7、 子 規(guī) 則 排 列 成 的 晶 胞 組 成 ， 這 些 規(guī) 則 排 列 的 原 子 間 距 離 與 入 射 X 射 線 波 長 有 相 同 數(shù) 量 級 ， 故 由 不 同 原 子 散 射 的 X 射 線 相 互 干 涉 ， 在 某 些 特 殊 方 向 上 產(chǎn) 生 強(qiáng) X 射 線 衍 射 ， 衍 射 線 在 空 間 分 布 的 方 位 和 強(qiáng) 度 ， 與 晶 體 結(jié) 構(gòu) 密 切 相 關(guān) 。 這 就 是 X 射 線 衍 射 的 基 本 原 理 。 衍 射 線 空 間 方 位 與 晶 體 結(jié) 構(gòu) 的 關(guān) 系 可 用 布 拉 格 方 程 表 示 ： 2dsin =n 式中： 是 X 射線的波長； 是

8、衍射角；d 是結(jié)晶面間隔；n 是整數(shù)。波長 可用已知的 X 射線衍射角測定，進(jìn)而求得面間隔，即結(jié)晶內(nèi)原子或離子的規(guī)則 排列狀態(tài)。將求出的衍射 X 射線強(qiáng)度和面間隔與已知的表對照，即可確定試樣 結(jié)晶的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，此即定性分析。從衍射 X 射線強(qiáng)度的比較，可進(jìn)行定量分析。 1.2.2 X 射 線 衍 射 用 途 X 射 線 衍 射 分 析 是 利 用 晶 體 形 成 的 X 射 線 衍 射 ， 對 物 質(zhì) 進(jìn) 行 內(nèi) 部 原 子 在 空 間 分 布 狀 況 的 結(jié) 構(gòu) 分 析 方 法 。 將 具 有 一 定 波 長 的 X 射 線 照 射 到 結(jié) 晶 性 物 質(zhì) 上 時 ， X 射 線 因 在 結(jié)

9、晶 內(nèi) 遇 到 規(guī) 則 排 列 的 原 子 或 離 子 而 發(fā) 生 散 射 ， 散 射 的 X 射 線 在 某 些 方 向 上 相 位 得 到 加 強(qiáng) ， 從 而 顯 示 與 結(jié) 晶 結(jié) 構(gòu) 相 對 應(yīng) 的 特 有 的 衍 射 現(xiàn) 象 。 衍 射 X 射 線 滿 足 布 拉 格 方 程 ： 2d sin =n 式 中 ： 是 X 射 線 的 波 長 ； 是 衍 射 角 ； d 是 結(jié) 晶 面 間 隔 ； n 是 整 數(shù) 。 波 長 可 用 已 知 的 X 射 線 衍 射 角 測 定 ， 進(jìn) 而 求 得 面 間 隔 ， 即 結(jié) 晶 內(nèi) 原 子 或 離 子 的 規(guī) 則 排 列 狀 態(tài) 。 將 求

10、出 的 衍 射 X 射 線 強(qiáng) 度 和 面 間 隔 與 已 知 的 表 對 照 ， 即 可 確 定 試 樣 結(jié) 晶 的 物 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) ， 此 即 定 性 分 析 。 從 衍 射 X 射 線 強(qiáng) 度 的 比 較 ， 可 進(jìn) 行 定 量 分 析 。 本 法 的 特 點(diǎn) 在 于 可 以 獲 得 元 素 存 在 的 化 合 物 狀 態(tài) 、 原 子 間 相 互 結(jié) 合 的 方 式 ， 從 而 可 進(jìn) 行 價 態(tài) 分 析 ， 可 用 于 對 環(huán) 境 固 體 污 染 物 的 物 相 鑒 定 ， 如 大 氣 顆 粒 物 中 的 風(fēng) 砂 和 土 壤 成 分 、 工 業(yè) 排 放 的 金 屬 及 其 化 合 物

11、（ 粉 塵 ） 、 汽 車 排 氣 中 鹵 化 鉛 的 組 成 、 水 體 沉 積 物 或 懸 浮 物 中 金 屬 存 在 的 狀 態(tài) 等 等 。 1.3 透射電子顯微鏡 材料分析方法課程設(shè)計(jì) 7 1.3.1 透 射 電 子 顯 微 鏡 的 原 理 透 射 電 鏡 即 透 射 電 子 顯 微 鏡 是 電 子 顯 微 鏡 的 一 種 。 電 子 顯 微 鏡 是 一 種 高 精 密 度 的 電 子 光 學(xué) 儀 器 ， 它 具 有 較 高 分 辨 本 領(lǐng) 和 放 大 倍 數(shù) ， 是 觀 察 和 研 究 物 質(zhì) 微 觀 結(jié) 構(gòu) 的 重 要 工 具 。 透射電鏡的成象原理是由照明部分提供的有一 定孔徑角

12、和強(qiáng)度的電子束平行地投影到處于物鏡物 平面處的樣品上，通過樣品和物鏡的電子束在物鏡 后焦面上形成衍射振幅極大值，即第一幅衍射譜。 這些衍射束在物鏡的象平面上相互干+涉形成第一 幅反映試 樣 為微區(qū)特征的電子圖象。通過聚焦（調(diào)節(jié)物鏡激磁電流） ，使物鏡的 象平面與中間鏡的物平面相一致，中間鏡的象平面與投影鏡的物平面相一致， 投影鏡的象平面與熒光屏相一致，這樣在熒光屏上就察觀到一幅經(jīng)物鏡、中間 鏡和投影鏡放大后有一定襯度和放大倍數(shù)的電子圖象。由于試樣各微區(qū)的厚度、 原子序數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)或晶體取向不同，通過試樣和物鏡的電子束強(qiáng)度產(chǎn)生差異， 因而在熒光屏上顯現(xiàn)出由暗亮差別所反映出的試樣微區(qū)特征的顯微電子

13、圖象。 電子圖象的放大倍數(shù)為物鏡、中間鏡和投影鏡的放大倍數(shù)之乘積，即 MM。MrMp。 1.3.2 透 射 電 子 顯 微 鏡 的 用 途 透 射 電 子 顯 微 鏡 常 用 于 觀 察 那 些 用 普 通 顯 微 鏡 所 不 能 分 辨 的 細(xì) 微 物 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) ， 材 料 微 觀 組 織 形 貌 觀 察 ， 晶 體 缺 陷 分 析 ， 晶 體 特 征 參 量 測 定 ， 物 相 分 析 等 。 因 此 用 透 射 電 子 顯 微 鏡 鏡 來 對薄膜進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察和選區(qū)電子衍射分 析。 1.4 X 射線光電子能譜儀（XPS） 1.4.1 X 射線光電子能譜儀的原理 X 射 線 光 電 子

14、 能 譜 儀 （ XPS） 的 原 理 ： 用 單 色 的 X 射 線 照 射 樣 品 ， 具 有 一 定 能 量 的 入 射 光 子 同 樣 品 原 子 相 互 作 用 ， 光 致 電 離 產(chǎn) 生 了 光 電 子 ， 這 些 光 電 子 從 產(chǎn) 生 之 處 運(yùn) 輸 到 表 面 ， 然 后 克 服 逸 出 功 而 發(fā) 射 ， 這 就 是 X 射 線 光 電 材料分析方法課程設(shè)計(jì) 8 子 發(fā) 射 的 三 步 過 程 。 用 能 量 分 析 器 分 析 光 電 子 的 動 能 ， 得 到 的 就 是 X 射 線 光 電 子 能 譜 。 1.4.2 主 要 用 途 X 射線光電子能譜儀的主要用途：1

15、.固體樣品的表面組成分析，化學(xué)狀態(tài) 分析，取樣深度為3nm。2.元素成分的深度分析（角分辨方式和氬離子刻蝕方 式）。3.可進(jìn)行樣品的原位處理。 本 次 課 程 設(shè) 計(jì) 是 為 了 讓 大 家 對 磁 控 濺 射 的 原 理 及 應(yīng) 用 有 進(jìn) 一 步 的 了 解 ， 其 次 需 要 大 家 在 學(xué) 習(xí) 了 XRD,TEM,XPS 后 ， 可 以 充 分 利 用 所 學(xué) 知 識 掌 握 使 用 X 射 線 衍 射 儀 進(jìn) 行 物 相 分 析 的 基 本 原 理 和 實(shí) 驗(yàn) 方 法 及 物 相 分 析 的 過 程 與 步 驟 ； 熟 悉 透 射 電 鏡 的 基 本 構(gòu) 造 了 解 電 鏡 的 操

16、作 規(guī) 程 ， 掌 握 進(jìn) 行 選 區(qū) 衍 射 的 正 確 方 法 ； 了 解 光 電 子 能 譜 的 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理 ， 掌 握 光 電 子 能 譜 的 功 能 及 應(yīng) 用 。 本 次 課 程 設(shè) 計(jì) 的 任 務(wù) 是 用磁控濺射法制備 C /W 納米多層膜，然后對其進(jìn) 行微觀結(jié)構(gòu)觀察及表面成分分析。 材料分析方法課程設(shè)計(jì) 9 第二章 實(shí)驗(yàn)方法 2.1 TEM 樣品的制備方法 樣品的要求：觀察區(qū)厚度一般在 100-200nm 范圍內(nèi)不能失真，能真實(shí)反 映所分析材料的實(shí)際特征。 2.1.1 薄膜樣品的基本要求 樣品太厚，接近實(shí)際大塊樣品的信息，但圖象亮度不夠，膜內(nèi)不同厚度層 上的結(jié)構(gòu)

17、信息會重疊，干擾分析；樣品太薄，容易引起樣品內(nèi)固有缺陷釋放， 引起失真，同時容易造成其中的變形與相變不同于大塊樣品； 樣品厚度要適當(dāng)， 對金屬材料而言，樣品厚度500nm。 2.1.2 樣品制備的工藝過程 一般分三個步驟： 一.切薄片樣品 從實(shí)物或大塊試樣上切割厚度一般厚約 200-300um 的薄片， 切割方法一般分兩類：電火花線切割法（目前使用最廣泛的方法，工作過程如 圖所示，但只適用于導(dǎo)電材料）和金剛石鋸片切割機(jī)切片法（主要用于非導(dǎo)電 材料，如陶瓷）如圖 3 所示： 二.預(yù)減薄 切取的樣品薄片進(jìn)行預(yù)先減薄有兩種方法，即機(jī)械法 和化學(xué)法。 機(jī)械減?。?一般通過手工磨制來完成。先將一面粘在樣

18、品座上， 待磨好后，用溶劑將粘接劑溶掉，然后翻轉(zhuǎn)粘接繼續(xù)磨直 至要求厚度。磨制后的厚度控制：材料較硬，可磨至 70um，材料較軟，厚度不能小于 100um。 注意：磨制過程中，要平穩(wěn)，用力不要過大，注意冷卻。 （ 1） 切 （ 取 ） 薄 片 樣 品從 實(shí) 物 或 大 塊 試 樣 上 切 割 厚 度 一 般 厚 約 20-30um的 薄 片 ， 切 割 方 法 一般 分 兩 類 電 火 花 線 切 割 法是 目 前 使 用 最 廣 泛 的 方 法 ，工 作 過 程 如 圖 所 示 ， 但 只 適 用 于 導(dǎo) 電 材 料金 剛 石 鋸 片 切 割 機(jī) 切 片 法 主 要 用 于 非 導(dǎo) 電 材

19、料 ， 如 陶 瓷 材料分析方法課程設(shè)計(jì) 10 化學(xué)減薄： 將切好的試片放入配制好的化學(xué)試劑中，使其表面腐蝕而減薄。優(yōu)點(diǎn)：表 面無機(jī)械硬化層；速度快；厚度可控制在 20-50um，有利于終減薄 三.終減薄 （1）電解減薄 目前使用最廣、效率最高、操作最簡便的方法是雙噴電解拋光法，其工藝 過程為將預(yù)先減薄的樣品沖出或剪成 3mm 的圓片，并在其中心部位打凹坑后， 裝入試樣夾持器。 減薄時，試樣與陽極相連，噴嘴中的液柱與陰極相連，電解液通過泵進(jìn)行 循環(huán)。電解減薄的控制參數(shù)：電壓 V、電流 I、溫度 T，決定樣品的質(zhì)量；減薄 程度通過光源、光導(dǎo)纖維和光敏電阻構(gòu)成的光路控制；減薄完畢后應(yīng)迅速打開 試樣

20、架，取出試樣，清洗干凈，清洗液可用酒精、丙酮等。 電解拋光過程由以下條件控制:(1)電解液的成份(2)電解液的溫度(3)電解 液的流量(4)電壓(5)噴射頭的數(shù)量(6)自動終止裝置的調(diào)整 拋光電壓 拋光電流 電源 儀器尺寸 0-120V 0100mA 110/220VAC,50/60Hz 161617cm （2）離子減薄 離子減薄就是用離子束在樣品的兩側(cè)以一定的傾角（5-300）轟擊樣品，使 之減薄。 適用范圍： 不導(dǎo)電的陶瓷樣品； 要求質(zhì)量高的金屬樣品； 不宜雙 噴電解的金屬與合金樣品 。工藝過程： 將預(yù)先減薄的樣品打凹坑后 ； 裝入 樣品臺進(jìn)行減薄。工藝參數(shù)控制：工作電壓 一般 5KV；工

21、作電流 0.1mA，束流 50-100uA；減薄速率金屬 1um/h，陶瓷 0.4um/h。 2.2 實(shí)驗(yàn)方法 本實(shí)驗(yàn)選用尺寸為30mm20mm5mm的45#鋼為基體材料。鍍層的制備采用 UDP450 非平衡磁控濺射離子鍍設(shè)備。沉積腔結(jié)構(gòu)如圖4 所示由4個非平衡磁控 管組成閉合磁場，所用靶材為2個C靶和2個W靶。C靶和W靶間隔放置在磁控管上， 在沉積時工件架以5r /min 的速度旋轉(zhuǎn)。濺射氣體為氬氣，真空預(yù)抽至310 - 4 Pa，鍍層沉積時真空度維持在1.210 -1Pa。鍍層沉積過程為:(1)基體加載 400 V 偏壓，進(jìn)行離子清洗，30 材料分析方法課程設(shè)計(jì) 11 min;(2) 偏壓

22、90 V，W 靶電流2. 5A，沉積金屬W打底層，10min;(3)W 靶電流 線性遞減至0. 1 A，同時線性增大C靶電流至1.5 A,沉積W/C 過渡層;(4)維持步 驟(3)中穩(wěn)定的工作參數(shù)，沉積C /W 多層膜，沉積210 min。 2.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 第一步：用非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)以純鎢和純石墨靶作為濺射源制備 C/W 納米多層膜。 第二步：用島津X-7000X 型 射線衍射儀分析薄膜的相組成。 第三步：采用JEM3010 型HRTEM 對薄膜進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察和選區(qū)電子衍射 分析 第 四 步 ： 用Axis Ultra XPS 儀器分析薄膜表面成分和化學(xué)態(tài)。 材料分析方法課程設(shè)

23、計(jì) 12 第三章 分析結(jié)果與討論 3.1 C/W 薄膜的 XRD 衍射分析 圖5為C/W 薄膜XRD 衍射圖，在2角為35位置出現(xiàn)漫散射峰，說明薄膜 結(jié)晶程度較低。經(jīng)查PDF 卡，發(fā)現(xiàn)WC (100) 晶面衍射峰位于35. 65，WC (111) 晶面的衍射峰為73. 11，因此薄膜中可能存在晶態(tài)WC 硬質(zhì)相。 3.2 C/W 薄膜截面 TEM 分析 圖6為C/W薄膜截面整體TEM 像，圖7為W底層的電子衍射圖。薄膜由W底層、 W/C過渡層和C/W工作層組成，總厚度約1.35m。圖中的暗襯度區(qū)為W層，W層厚 度約500 nm，以致密的柱狀晶結(jié)構(gòu)生長，晶柱寬約50 100 nm。W與鋼基體界 面

24、兩側(cè)有明顯的襯度差別，這是因?yàn)樵诘头糯蟊稊?shù)時襯度為衍射襯度，鋼基體 和W 底層的晶體取向不同，W 層更滿足布拉格衍射條件，所以W 的襯度較暗。 由圖中發(fā)現(xiàn)W 層的選區(qū)電子衍射圖為不連續(xù)衍射環(huán)，為典型的柱狀晶衍射圖。 分析該衍射圖，測得四個亮衍射斑點(diǎn)的晶面間距為0. 234 nm，為面心立方 W(111)晶面。在四個亮點(diǎn)外的衍射斑點(diǎn)中還發(fā)現(xiàn)了晶面間距為0. 16 nm 的衍射 材料分析方法課程設(shè)計(jì) 13 斑，為體心立方-W(200) 晶面，說明在W 底層中存在面心立方和體心立方兩 種結(jié)構(gòu)的W。W 層之上為W/C 過渡層，厚度約70 nm。W/C 過鍍層之上為C/W 層， 可發(fā)現(xiàn)C/W層的襯度明暗

25、相間，表現(xiàn)出明顯的層狀結(jié)構(gòu)，C/W 層的厚度約800 nm。 C/W layer W/C layer W base layer 圖8為W/C 過渡層的高倍TEM 像，由圖可見，過渡層襯度由W 的晶體襯度轉(zhuǎn) 變?yōu)榉蔷бr度。過鍍層為層狀結(jié)構(gòu)，且層厚逐漸變小，到C /W 層中時，形成穩(wěn) 定的納米多層結(jié)構(gòu)，厚度約6. 5 nm。 材料分析方法課程設(shè)計(jì) 14 圖9c 為W/C 過鍍層的HRTEM像，存在兩種相襯度，亮襯度區(qū)為富碳層，表 現(xiàn)為非晶形貌，暗襯度區(qū)為富W 層。在富W 層中發(fā)現(xiàn)有W 納米晶粒和尺寸為1 2 nm 的W 團(tuán)簇，測得納米晶的晶面間距為0. 235 nm，為面心立方W(111) 晶面。

26、圖9d 為C /W 的HRTEM 像和選區(qū)電子衍射圖。C /W 層的電子衍射圖中存 在發(fā)散 的中心透射斑、一對半月牙和兩個較明亮的漫散射環(huán)，半月牙為石墨(0002)晶 面的衍射斑點(diǎn)，第一個明亮的漫散射環(huán)對應(yīng)WC 的(100)晶面，第二個衍射環(huán)對 應(yīng)WC的(111)晶面。由HRTEM 像中可發(fā)現(xiàn)非晶C 包裹著尺寸為2 3 nm 的WC 晶粒，說明在C /W 多層膜中僅存在非晶C 和WC 納米晶兩種相。 3.3 C/W 薄膜的 XPS 分析 利用X 射線光電子能譜儀對C /W 薄膜的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)進(jìn)行分析。X 射線 源為單色化Al K ，在XPS 全譜掃描前，先對樣品表面進(jìn)行3 min Ar + 刻

27、蝕以 去除表面吸附的碳?xì)涞任廴疚铮褂每涛g所產(chǎn)生的Ar2p 峰進(jìn)行峰位校正。 對鍍層表面的全譜掃描分析，發(fā)現(xiàn)鍍層中主要存在C、W 兩種元素。XPS 定量分析結(jié)果顯示C、W元素的相對原子百分含量為90.64%和9.36%。 材料分析方法課程設(shè)計(jì) 15 掃描各元素的高分辨譜，并對高分辨譜進(jìn)行擬合處理。 圖6為W4f 的高分 辨譜， 通過對W4f 峰結(jié)合能的分析，發(fā)現(xiàn)薄膜中的W 元素以WC和WO 2的形式存 在，并不存在單質(zhì)態(tài)W，說明W 元素在薄膜的沉積與生長過程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。 在薄膜沉積時，沉積腔中除了存在靶材中濺射出的W 原子和C 原子，同時還存 在少量的殘余O 2。W原子除了與C 原子發(fā)生

28、化學(xué)反應(yīng)外，還與氧原子發(fā)生反應(yīng)。 比較600 K 時的吉布斯自由能 G = 8. 844 KCal /mol G = 0wc 02WO 114. 224 KCal /mol，說明WO 2的生成優(yōu)先于WC，沉積的W 原子首先消耗掉殘余 的氧原子生成WO 2，然后才與C 原子反應(yīng)生成WC。 材料分析方法課程設(shè)計(jì) 16 第四章 結(jié)論 W含量約為9 at. %的C /W 薄膜具有周期厚度約6.5nm的多層結(jié)構(gòu)。TEM和 XPS 分析發(fā)現(xiàn)沉積的W 元素不以單質(zhì)態(tài)存在，而是與碳元素反應(yīng)生成了WC納米 晶，碳元素為非晶態(tài)。XPS 分析發(fā)現(xiàn)非晶碳主要以sp 2 鍵類石墨態(tài)存在。 材料分析方法課程設(shè)計(jì) 17 參

29、考文獻(xiàn)： 1 周 玉 主 編 . 材 料 分 析 方 法 .哈 爾 濱 : 機(jī) 械 工 業(yè) 出 版 社 ,2004.11 2 張 慶 軍 主 編 .材 料 現(xiàn) 代 分 析 測 試 實(shí) 驗(yàn) ： 北 京 化 學(xué) 工 業(yè) 出 版 社 2006.8 3 邱 平 善 ， 王 桂 芳 ， 郭 立 偉 主 編 . 材 料 近 代 分 析 測 試 方 法 實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) .哈 爾 濱 工 程 大 學(xué) 出 版 社 ， 2001.8 4 周 上 祺 . X 射 線 衍 射 分 析 .重 慶 ： 重 慶 大 學(xué) 出 版 社 ， 1991 5 楊 傳 錚 等 主 編 . 物 相 衍 射 分 析 . 北 京 ： 冶 金

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