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硅(100)衬底上磁控溅射铈钛氧化物薄膜涂层的力学与建模研究

DOI：10.1016/j.ceramint.2018.12.183 期刊：Ceramics International 出版年份：2018 更新时间：2025-09-23 15:23:52
摘要： Ce/Ti混合金属氧化物薄膜除其他多种物理化学性质外，还具有优异的光电性能。通过实验与建模相结合的方法，研究了不同Ce:Ti比例下磁控溅射Ce/Ti氧化物薄膜在Si(100)晶圆上的结构与力学性能变化。X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)证实主要物相为三方相Ce2O3和金红石型TiO2，所有制备材料中均存在SiO2。场发射扫描电镜(FESEM)成像显示晶粒尺寸变化情况，Ce/Ti混合氧化物在薄膜/基底复合材料中呈现更小晶粒尺寸。纳米压痕分析表明纯氧化铈薄膜具有最高硬度值(20.1 GPa)，而过量氧化钛的添加会降低薄膜涂层的硬度。高温原位XRD测试(高达1000°C)结果显示所有研究材料均具有优异的热相稳定性。Ce:Ti=68%:32%的薄膜在800°C以上会出现新的微量氧化相。接触角实验表明表面化学成分对水接触角影响不显著，测试结果集中在87.7°至95.7°的狭窄区间。基于Si(100)、Si(110)、二氧化硅和钢基底的Ce/Ti薄膜涂层有限元模拟(FEM)显示应力集中存在差异。
作者： Shyam Bharatkumar Patel，Nik Radevski，Nicholas Mondinos，Xiaoli Zhao，Kevin Jack，Jean-Pierre Veder，Zhi-feng Zhou，Zhong-Tao Jiang
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究不同Ce:Ti比例下磁控溅射Ce/Ti氧化物薄膜在Si(100)晶圆上结构与力学性能的变化。

研究成果

铈/钛氧化物薄膜的力学性能受Ce:Ti比例影响，纯氧化铈表现出最高的硬度和杨氏模量。与氧化钛混合会降低硬度并减小晶粒尺寸。该薄膜在高达1000°C时仍具有高热稳定性，且水接触角主要受表面粗糙度而非化学成分影响。有限元建模显示应力随不同基底和薄膜厚度而变化。

研究不足

该研究仅限于特定的Ce:Ti比例和Si(100)衬底；虽然注意到偏压变化可能导致的潜在差异，但未作探究；XPS中的表面污染可能影响结果；有限元建模假设了某些参数，这些参数可能无法涵盖所有现实复杂性。

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