تاثير ولتاژ باياس بر ساختار، مورفولوژي و سختي پوشش نيتريد زيركونيوم ايجاد شده به روش كندوپاش مغناطيسي واكنشي

Effect of bias voltage on the structure, morphology and hardness of ZrN coating deposited by reactive magnetron sputtering

در اين پژوهش لايه هاي نيتريد زيركونيوم روي سيليكون و فولاد زنگ نزن 304 با روش كندوپاش مغناطيسي واكنشي پوشش داده شدند. تاثير ولتاژ باياس زيرلايه روي ساختار لايه ها، مورفولوژي و سختي مورد بررسي قرار گرفت. لايه ها بوسيله ي پراش اشعه ايكس، ميكروسكوپ الكتروني روبشي، ميكروسختي سنجي و ميكروسكوپ نيروي اتمي آناليز شدند. بر اساس الگوهاي پراش اشعه ايكس، تنها پيك هاي پراش zrn مربوط به صفحات (111) و (200) مشاهده شدند كه با افزايش ولتاژ باياس از 0 تا 150 ولت اندازه دانه ها از 19 نانومتر به 13 نانومتر كاهش يافتند. علاوه براين، مشاهدات ميكروسكوپ الكتروني روبشي از سطح مقطع همه ي لايه هاي نيتريد زيركونيوم، ساختار ستوني را نشان دادند. همچنين تصاوير ميكروسكوپ نيروي اتمي از سطح پوشش ها افزايش زبري سطح پوشش ها با افزايش ولتاژ باياس را نمايش دادند. افزايش ولتاژ باياس تاثير مستقيم روي اندازه سختي پوشش ها داشت كه براي نمونه با باياس 100 ولت به اندازه بيشينه حدود 1720 ويكرز رسيد. در ضمن اعمال ولتاژ باياس تا يك حد بحراني باعث افزايش تراكم لايه همراه با حذف تخلخل ها و افزايش تنش فشاري مي شود و در صورتيكه مقدار ولتاژ باياس بيشتر از 100 ولت اعمال شود، به دليل افزايش احتمال پديده كندوپاش مجدد، خواص مكانيكي پوشش افت مي كند.

ZrN thin films were deposited on silicon (111) and 304 stainless steel substrates using direct current (DC) reactive magnetron sputtering. Effects of the substrate bias voltage on the films’ structure, morphology and hardness were investigated. The films were characterized by X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FESEM), atomic force microscopy (AFM) and microhardness tester. XRD patterns showed grain size refinement from 19 to 13 nm with an increase of bias voltage from 0 V to 150 V. In addition, (111) and (200) diffraction peaks were only present and other orientation were omitted. FESEM cross section of ZrN thin films showed a well aligned columnar structure. Based on AFM images, the surface roughness was also increased at higher bial voltages. The increase of bias voltage also resulted in hardness increase. Maximum hardness of 1720 Vickers was obtained at 100 V bias. Negative bias voltage induces some residual stress in the films due to the increase in film's density by the elimination of porosity and voids.