Ti离子注入对石英玻璃表面金属化的影响-表面技术

1、暋48崔新强等离子注入对石英玻璃表面金属化的影响暋TiTi离子注入对石英玻璃表面金属化的影响崔新强1,李海兵1,李国卿 2,蒋宝财1(1 .上海光机所, 上海大连理工大学三束材料改性国家重点实验室, 大连116024 )201800 ;2 . 摘要 为提高石英玻璃表面金属化膜层与基底的结合强度, 利用金属蒸发真空弧() 离子源引暋暋暋暋膜石英玻璃进行离子注入, 剂量选择,/MEVVA出的离子对石英玻璃及镀3 暳1016162 ,模拟分析了注入Ti,Ti5 暳10i on c m膜石离子能量的分布采用卢瑟福背散射分析了注入离子在基体中的深度分布, 利用划痕实验机对比了镀英玻璃经离子注入前后的膜基

2、结合强度Ti离子 (/TiTi。 实验结果表明 : 石英玻璃经Ti162 )注入后 ,钛在, 最大浓度分布在范围内; 镀5 暳10i onc m2 )注入后 ,基体中呈高斯分布15 35nm膜石英玻璃经离子(16/最大浓度分布在范围内 ,Ti。Ti5 暳10i on c m2 时,膜5 15n m注入离子穿透薄膜进入基材内部离子注入剂量为16/。Ti5 暳10i on c m基的结合强度比未注入样品提高了关键词 离子 ;90 %结合强度暋Ti离子注入 ; 镀膜石英玻璃 ;Ti 文章编号 中图分类号 O484 .4 文献标识码 1001 - 3660 (2010 )01 - 0048 - 03暋

3、 暋 暋A暋 暋 暋I nf l uence ofTiI ons I m l ant at i ono nuar t zMet al i zati onpQCUIX i n灢i ang1LIHai 灢bi ng1L IG uo灢i ng2JI A NGB ao灢cai1q,q,(1 .ShanhaiI nsti t ue ofOt i cs andF i neM echani cs ,Chi neseA cade mofSci ences , Shanghai 201800 ,Chi na ;gpy2 . Key Lab or at or yofMat eri alModi fi cati o

4、nbyLaser , I onandE l ect r o nB ea ms , Abst r actDali anUni v er si t yofTech nol ogy ,Dali an1 16024 , Chi na )暋Tit ani u mi o nswer e i mpl ant ed i nt o q uar t za nd q uar t zcoat ed wit hTi fil m b yM E V V A ( Met alV aporVacu u m Ar c )i on sour ce i mpl ant er . Th e dosew as 3 暳10162162i

5、o ns/ c mand 5暳10i o ns/ c m. Th e i o ne ner gy an dd ept hd i s灢t ri buti onwer ea nalyzedu si nsi mul ati onmet ho d .D e t hpr ofil eso fTiconcent r ati onwer emeasur edbyRut Il erf 0r dgp灢Backscatt eri ngS ect r o metry( RBS ) . T he i nt er f aci aladh esi ona ndbon ds t r en t hbet ween t hi

6、n f il mc oati nga ndsubst r at epgwer e t est edb y scr at chm et hod . T he r esultsho ws t hat i mpl ant edw it hT it he l ar gestco mp onent ofT i i s about 30n mf orquar t z an d 15n mf or quar tz coat edw it hT ifil m. I mpl ant at i on i ons penet r at ed i nt o t he subst r at e t hr ough t

7、h e fil m.T he i n灢t er f aci aladhesi o na n db ond st r engt hbet ween t hi n fil mc oati ng ands ubst r at eh ave an i ncr easeo f90 %aft erT i i ons i m灢pl ant ati onw it h t he dose of5 暳10162i ons / c m . Kewor ds y暋Ti i ons i m l ant ati o n ;Quar t z coat edwit hT i fi l m ; I nt er f aci al

8、adhesi ona n db on d st r ent hpg为实现石英玻璃与金属件的高温气密封接, 采用暋暋膜 ( 即石英玻璃金1 暋实验磁控溅射法在石英玻璃表面镀制Ti属化 ) , 但由于材料性质差异较大暋, 膜基的结合强度不够高 。 研究表明 , 对镀膜石英玻璃进行离子注入可试样为石英玻璃和镀Ti膜石英玻璃,膜采 用Ti, 从而有效改善膜基结合直流磁控溅射法镀制Ti在膜基之间形成一个过渡层, 膜层厚度为30nm左右 。强度 1-3离子注入具有引出注入离子广离子注入 实验在金属蒸发真空弧离子注入系统。MEVVA, 被誉为新一代的型离子 注入机)上进行,主要参数为:泛、束流强度高、离子束

9、纯净等优点离子注入技术离子注入系( MEVV A80灢101,4。本实验采用加速电压20 80kV , 最大束流 10m A , 束斑直径 140MEVVA离统对石英玻璃和金属化之后的石英玻璃进行了mm , 频率 1 20Hz 。 具体实验条件见表1 。子注入 ,分析比较了这Ti种基底在不同注入剂量下的采用RBS ( 卢瑟福背散射分析) 对 Ti在样品中的2。注入深度及界面结合强度深度分布进行研究。利用型划痕实验机评价CSR灢01 收稿日期 2009 - 12 - 21 作者简介 崔新强 (河南濮阳人 ,硕士 , 助理研究员, 研究方向为石英玻璃表面金属化1982 - ),男,。第39卷第1期

10、年2月暋暋暋暋暋 2010暋暋暋 Vol .39 暋No .1 暋Feb .2010薄膜与基体之间的结合强度, 划痕实验机载荷范围为0100N。表 1 暋样品实验条件Tab .1 Ex peri ment al condi ti ons of sa mpl es编号引出电压注入束流基片/ k V- 2/ (i on ·c m )#石英玻璃161403 暳10#石英玻璃162405 暳10#镀钛膜石英玻璃163403 暳10#镀钛膜石英玻璃164405 暳10#镀钛膜石英玻璃不注入52 暋结果及分析2 .1 暋Ti离子能量与成分分布2 .1 .1 暋 能量分布图为离子注入镀膜石英玻璃的

11、能140kV TiTi量模拟分布图,由图中可知: 能量集中分布在薄膜中及膜基界面处 , 同时有部分能量穿透到石英玻璃内部, 最深分布在70处 ,由离子注入引起的反冲离子 90n m,这对薄膜能量同样在薄膜中及膜基界面处集中分布与基体之间的界面结合具有夯实作用。图能量分布1 暋Fi g .1The ener gydi st r i buti on2 .1 .2 暋 成分分布石英玻璃为非晶组织结构, 钛金属薄膜由纳米晶体组成 ,因此采用非晶材料离子注入模型。通过理 论计算,镀膜石英玻璃经162 剂量的Ti40kV ,5 暳10i on/ c m离子注入后 ,在基体中呈高斯分布,最大浓TiTi度分布

12、在左右;石英玻璃经V , 51625nm40k暳102 剂量的离子注入后, 最大浓度分布在i on/ c mTi59左右 。n m2 .2 暋RBS石英玻璃经162离子注入后的图见图3 暳10i on/ c m,40k V Ti的浓度分布见图R BS2 , 注入后 Ti3 。 可以看出 ,离子主要集中在石英玻璃表面下Ti围内, 在此范围内,82 0的深度范随注入深度的增加,n m表面技术暋49SU RF ACET ECH NOL OGY离子浓度降低, 且随深度的变化近似呈线性关系。Ti图#样品2 暋1RBS#Fi g .2R BS pr ofil e of sa mpl e 1图#样品的+浓度

13、分布3 暋1TiFi g .3C oncent r ati ond ist ri buti ono f+#Ti impl ant ed i nt o t he sa mple 1石英玻璃经5 暳10162离子注入后的图见图i on/ c m,40k VTi4 , Ti离子浓度分布见图5 。可以看出 ,RBS离子主要集中在石英玻璃表面下的Ti15 35n m图#样品4 暋2RBS#Fi g .4R BS pr ofil e of sa mpl e 2图#样品的+浓度分布5 暋2TiFi g .5C oncent rati ond i st ri but iono f+#Tii mplant ed

14、 i nt o t he sa mpl e 2暋50崔新强等离子注入对石英玻璃表面金属化的影响暋Ti深度范围 , 在此范围内 ,离子浓度分布较均匀, 即TiTi。离子浓度深度分布峰值展宽变大镀膜石英玻璃经51 62TiTi见图暳10i on/ c m ,40k V注入后的RBS离子浓度分布见图7。可以看出 ,6 , Ti离子主要集中在石英玻璃表面下mTi5 15n深度范围内 , 在此范围内 , 随着注入深度的增加,离子浓度急速下降。Ti图# 样品表面的划痕曲线8 暋5#Fi g . 8C ur ve of t he scr at cho n sa mpl e 5图# 样品RBS图# 样品表面划

15、痕的6 暋4#9 暋5SE MFi g . 6R BS pr ofi l e ofsa mpl e 4#Fi g .9SE Mi mage of t he scrat cho n sa mpl e 5图# 样品的+ 浓度分布7 暋4Ti图# 样品表面的划痕曲线Fi g .7The concent r ati ond i st r i buti ono f10 暋3+#Tii mpl ant ed i nt o t he sampl e 4Fi g .10C ur v e of t he scrat cho n sa mpl e 3由于实验过程中受诸多实际因素的影响, 导致Ti离子在基体中的最大

16、浓度分布深度与模拟值存在一定的偏差 , 见表。2表 2 暋Ti离子浓度分布比较Tab .2Co mpar e of concent r ati ond i st ri buti ono fT i+最大浓度分布深度 /n m编号基片Ti模拟值实验值# 石英玻璃2镀钛膜石英玻璃5915 35#255 1542 .3 暋 结合力测试与分析图及图分别为# 样品(镀膜石英玻璃表895Ti面未注入Ti ) 的划痕曲线及划痕的观察图 , 经扫SE M描电镜观察 , 在载荷不到时划痕明显破裂 。图及图为7N膜石英玻璃注入#样品(镀10113Ti316 2 剂量的钛离子)的划痕曲线及划痕的暳10i on/ c

17、m在扫描电镜下观察,注入钛离子后的划观察图 ,SE M, 在处出现破裂。痕宽度比注入钛离子前相对减小图及图为#样品(镀9NTi膜石英玻璃注入512134暳10162剂量的钛离子 )的划痕曲线图及划痕i on/ c m图# 样品表面划痕的11 暋3SEM#Fi g .11S E Mi mage of t he scr at cho n sa mpl e 3图# 样品表面的划痕曲线12 暋4#Fi g .12C ur v e of t he scrat cho n sa mpl e 4( 下转第页)55第39 卷第 1期年 2月表面技术暋暋暋暋暋 2010暋55暋暋暋 Vol.39 暋No .1

18、暋Feb .2010SU RF ACET ECH NOL OGY对和DP H灢T U的分子结构参数B3 L Y P/ 6灢311gT U可以看出 , 与参考文献进行量子化学计算, 结果见表相 比 ,5。由表 5韩倩倩硫脲在硫酸溶液中对钢缓蚀作用具有高的E HOMO和低的 ELUMO.0 .5mDP H灢T U。1暋ol / LA3T U的电化学研究 表面技术 ,E HOMO能量越高 , 缓蚀剂与钢成键作用越强, 吸 附李广超 ,路长青J .2009 ,38(4): 36- 38.A32 ,杨文忠 , 等 硫脲及其衍生物的缓蚀行为力越强 ;E L UMO 能量越低 , 缓蚀率越高10比暋.,研究

19、进展 腐蚀与防护技术更易于与的轨道成键 ,。DPH灢T UJ .盐酸中2001 , 13 (3 ) :169 - 173 .形成更强的吸附键,潘献辉, 魏宝明对不锈钢缓蚀性能的探T UFed。3暋.B MPT因而对钢具有更好的缓蚀作用讨 腐蚀与防护 ,DP H灢T UA3J .1999, 20(4): 156- 159.表5暋TU和 DPH灢T U 的量子化学计算数据4 暋Reet aAgr awal,Na mboodhiriTKG.T he i nhi bi ti ono fTab .5 Quant u mc he mi st r y cal cul at i ons ofTUa ndDPH

20、灢TUsul phur ic aci d cor r osi on of410 st ai nl ess st eelby t hi our eas缓蚀剂EELUMO/ e VJ . Corr osi onS ci ence , 1990 , 30 (1 ) :37 - 52 .H OMO / eV5 孙蕾 ,曹楚南 , 林海潮, 等盐酸介质中苯扎溴铵在铁表面暋.腐蚀科学T U- 0 .217- 0 .032的吸附行为及其与肉桂醛的协同缓蚀作用与防护技术,J .DP H灢T U- 0 .198- 0 .0461997, 9(1): 29- 33 .6 暋El A wadAA ,Abd El N

21、abe BA , Azi z SG . Ki neti c t her灢灢y灢 灢y灢3 暋 结论mody na mi c and adsorpti on i sot her ms anal yses f or t he i nhi bi 灢t i on of t he aci d cor r osion ofst eelb c cli c andoen chai na灢暋yyp 灢是混合型缓蚀剂, 它对钢具有优mi nes J . El ect roche m. Soc . ,1992 ,139 (8 ) :21 49 - 21 54 .1 ) DPH灢T U7 暋El灢A wadyA A

22、,Abd灢El灢NabeyBA, Azi zSG. T her mo灢A3良的缓蚀效果 , 其缓蚀效果优于dyna mic andk i netic f act ors i nchl ori de i on pit t i n g andn i 灢种缓蚀剂在T U 。, 吸t ro gend onor li gand i nhi bit ionof al u mi ni u mmet al corr o灢钢表面发生了化学吸附2 ) 2A3si on i naressi ve aci dm edia J . J . Che m. Soc . Far ada附过程为放热过程。ggyTr ans .

23、 ,1993 ,89:795 - 802 .种缓蚀剂的吸附行为服从动力学北京: 高等教育出版ElA wad李吕辉,张报安,等物理化学3 ) 2y8暋.M .模型 。灢社 ,1984 .电化学测量 北京 :国防工业 出版社,中加入种缓蚀剂后,钢的极化胡会利,李宁9暋.M .4)5%H 2SO42A3时增大得2007 .电阻明显增大 , 加入时比加入T U量子化学方法研究缓蚀剂结构与耐蚀性更明显 。DP H灢T U10 唐子龙 ,宋诗哲 .的关系 化学清洗 ,J .1994 ,10 (2 ) :21 - 24 .崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪崪(上接第页)50展宽变大; 在使用相同剂量和能量的情况下, 镀膜Ti石英玻璃的注入深度比石英玻璃小