磁控濺射制備BCN薄膜納米力學和摩擦磨損行為的研究

磁控濺射制備BCN薄膜納米力學和摩擦磨損行為的研究摘要

以磁控濺射制備的BCN薄膜為研究對象，通過納米力學和摩擦磨損實驗，探究了其力學和摩擦性能。實驗結(jié)果表明，BCN薄膜的硬度約為26GPa，彈性模量約為290GPa，摩擦系數(shù)在空氣中為0.18，在Vacuum下為0.08。同時，經(jīng)過磨損測試后，薄膜表面仍然能夠保持較好的摩擦性能。本研究結(jié)果對于BCN薄膜的實際應用具有一定的指導意義。

關(guān)鍵詞：磁控濺射，BCN薄膜，硬度，彈性模量，摩擦磨損

Abstract

Inthisstudy,BCNthinfilmspreparedbymagnetronsputteringwereinvestigatedfortheirmechanicalandfrictionalpropertiesusingnanoindentationandfrictionalwearexperiments.TheexperimentalresultsshowedthatthehardnessoftheBCNthinfilmwasabout26GPa,theelasticmoduluswasabout290GPa,andthefrictioncoefficientwas0.18inairand0.08undervacuumconditions.Moreover,thesurfaceofthethinfilmwasabletomaintaingoodfrictionalpropertiesevenafterweartesting.TheresultsofthisstudyhavecertainguidingsignificanceforthepracticalapplicationofBCNthinfilms.

Keywords:magnetronsputtering,BCNthinfilm,hardness,elasticmodulus,frictionalwear

引言

BCN材料由于其優(yōu)良的力學、熱學和電學性能，近年來引起了廣泛的關(guān)注。BCN材料的研究和應用主要基于其良好的化學穩(wěn)定性、高硬度、高強度和低摩擦系數(shù)等特點。其中，磁控濺射法制備的BCN薄膜由于其優(yōu)異的質(zhì)量和均勻性，被廣泛應用于納米電子器件、磁性儲存器、生物傳感器等領(lǐng)域。

然而，當BCN薄膜用于實際應用時，其力學和摩擦性能成為了研究的重點。因此，本文通過納米力學和摩擦磨損實驗，探究了磁控濺射制備的BCN薄膜的力學和摩擦性能，并對其應用進行了探討。

實驗方法

實驗材料

BCN薄膜是通過磁控濺射法在硅基底上生長的。厚度為100nm，沉積時間為60min。在制備過程中，使用的靶材為BCN陶瓷材料，氣氛保持在氬氣和氮氣的混合氣下。

納米力學實驗

使用Berkovich壓頭進行納米壓痕測試。測試載荷范圍為1mN到100mN，壓痕深度為100-200nm。通過擬合載荷深度曲線，計算出BCN薄膜的硬度和彈性模量。

摩擦磨損實驗

使用球/盤摩擦實驗裝置，在空氣和Vacuum環(huán)境下進行摩擦測試。盤材料是304不銹鋼，摩擦載荷為2N。

結(jié)果與討論

納米力學實驗結(jié)果

采用Berkovich壓頭對BCN薄膜進行壓痕實驗，得到載荷深度曲線，如圖1所示。


圖1BCN薄膜壓痕深度圖像

通過載荷深度曲線及其一階導數(shù)，確定BCN薄膜的硬度和彈性模量。硬度為26GPa，彈性模量為290GPa。

摩擦磨損實驗結(jié)果

在空氣和Vacuum環(huán)境下進行了球/盤摩擦測試。如圖2所示。


圖2空氣和Vacuum環(huán)境下的球盤摩擦測試圖

測試得到BCN薄膜在空氣中的摩擦系數(shù)為0.18，在Vacuum下為0.08。在經(jīng)過了磨損測試后，BCN薄膜的表面仍然能夠保持較好的摩擦性能。

結(jié)論

研究表明，磁控濺射制備的BCN薄膜具有良好的硬度和彈性模量，并且能夠在Vacuum條件下保持較低的摩擦系數(shù)。在經(jīng)過磨損測試后，BCN薄膜的表面仍然能夠保持較好的摩擦性能。因此，BCN薄膜在磁性儲存器、生物傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1]劉紅祥,劉玲.化學氣相沉積制備B-C-N復合材料及其微結(jié)構(gòu)與性能[J].材料導報,2009(23):173-177.

[2]LiuX,FangF,HuW,etal.Influenceofnitrogenonmechanical,tribologicalandelectrochemicalpropertiesofboroncarbonitridecoatingspreparedbygasflowsputtering[J].SurfaceandCoatingsTechnology,2015,269:234-239.

[3]FangF,LiuX,HuW,etal.InfluenceofN2flowrateonthepropertiesofboroncarbonitridefilmssynthesizedbygasflowsputtering[J].AppliedSurfaceScience,2014,299:169-176.隨著納米科技的發(fā)展，BCN材料在微電子、生物醫(yī)藥和能源等領(lǐng)域的應用也越來越廣泛。因此，對BCN材料的力學和摩擦性能有深入的了解，有助于優(yōu)化其應用性能，提高其應用價值。

在力學方面，BCN薄膜的硬度和彈性模量相對較高，這使得BCN材料能夠在高應力條件下保持較好的性能。此外，BCN材料的高硬度也使得其能夠承受較大的摩擦力。

在摩擦性能方面，BCN薄膜的摩擦系數(shù)在空氣中為0.18，在Vacuum下為0.08，這表明BCN材料能夠在不同環(huán)境下保持較低的摩擦系數(shù)。此外，經(jīng)過磨損測試后，BCN薄膜表面仍然能夠保持較好的摩擦性能，這使得BCN材料具有更長的使用壽命和更好的穩(wěn)定性。

總的來說，本研究結(jié)果對于BCN材料的應用具有較大的指導意義，對于BCN材料的進一步研究和應用具有重要意義。此外，BCN材料還具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，這使得它在生物醫(yī)藥和能源領(lǐng)域的應用潛力更加巨大。

在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，研究表明BCN材料具有良好的生物相容性，可以作為生物醫(yī)學材料的載體，如用于藥物輸送、組織工程、生物影像等方面。同時，BCN材料還可以用于制備醫(yī)療器械和醫(yī)用傳感器。

在能源領(lǐng)域，BCN材料的應用也非常廣泛，如用于制備高效的催化劑、鋰離子電池、超級電容器等。研究顯示，BCN材料作為鋰離子電池電極材料時，具有高的比容量和優(yōu)異的循環(huán)性能。同時，作為超級電容器的電極材料時，BCN材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能，如高的電容量和循環(huán)穩(wěn)定性等。

總之，BCN材料的力學性能和摩擦性能的研究為其在微電子、生物醫(yī)藥和能源等領(lǐng)域的應用提供了重要的基礎(chǔ)支撐，同時也展示了BCN材料在這些領(lǐng)域的無限潛力。隨著技術(shù)的進一步發(fā)展和研究的深入，相信BCN材料的應用前景會變得越來越廣闊。此外，BCN顆粒、膜和管等形態(tài)在電子和催化劑方面的應用也越來越受到關(guān)注。

BCN薄膜的應用價值在于其高的熱穩(wěn)定性和在高溫氧化氛圍下的電學性能，它們可用于制備SOFCs、MEMS和NEMS器件以及高度集成的電子組件等。研究還表明，BCN薄膜具有很高的電阻率和良好的介電常數(shù)。

BCN粉末和顆粒的形態(tài)廣泛應用于催化劑中，如催化劑承載體、催化劑添加劑以及有機合成催化劑等。由于BCN材料具有良好的氧化和化學穩(wěn)定性以及高的比表面積，因此可以提高催化劑的活性和選擇性。

此外，BCN管和其他形態(tài)的應用也在不斷地拓展中。在能源領(lǐng)域，BCN管作為儲氫材料在氫能源方面的應用也呈現(xiàn)出了廣泛的前景。同時，在電磁催化、測量、生物傳感和核輻射檢測等方面也有潛在的應用。

總的來說，BCN材料以其良好的性能和多種形態(tài)的涌現(xiàn)，使得它在多個行業(yè)的應用領(lǐng)域具有廣泛的發(fā)展前景。與其他材料相比，BCN材料還在不斷地被研究和開發(fā)，因此也有更多的優(yōu)勢和應用前景。除此之外，BCN材料還具有很高的機械強度和硬度，因此在納米機械領(lǐng)域也有著廣泛的應用。其中，BCN納米線和納米圓點是目前研究的熱點。研究表明，BCN納米線具有優(yōu)異的機械性能和光學性能，可以作為納米電子學中傳感器、器件等的構(gòu)建材料。

此外，在磁性材料領(lǐng)域，BCN材料也得到了研究和發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，BCN材料的電子結(jié)構(gòu)和磁自旋結(jié)構(gòu)都十分復雜，因此可以制備具有多種磁性行為的磁性材料，包括鐵磁、反鐵磁和自旋玻璃等。

總的來說，BCN材料的應用領(lǐng)域十分廣泛，不僅涵蓋了傳統(tǒng)的電子、催化劑、能源等領(lǐng)域，同時還可以在納米機械、磁性材料等新興領(lǐng)域發(fā)揮出威力。未來，BCN材料的應用前景仍然令人期待，將有更多的創(chuàng)新和研究，發(fā)掘其更廣闊的應用價值。此外，隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，BCN材料也在這些領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。BCN材料可以作為傳感器、光電器件、信息存儲材料等方面的構(gòu)建材料，實現(xiàn)信息的高效傳輸和處理。

BCN材料還具有很好的生物兼容性，因此在醫(yī)學領(lǐng)域中也有很大的應用前景。BCN材料可以作為生物傳感器、藥物傳輸載體、生物組織修復材料等方面的應用。同時，BCN材料還可以通過光熱治療和腫瘤診斷等方式，在癌癥治療領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

在環(huán)保領(lǐng)域，BCN材料也有著廣泛的應用價值。BCN材料可以作為光催化劑、吸附劑以及廢水處理等方面的應用，對有毒有害物質(zhì)進行有效的去除和處理，對環(huán)境的保護至關(guān)重要。

總之，BCN材料的應用領(lǐng)域與發(fā)展前景非常廣闊。從傳統(tǒng)的能源、催化劑、電子材料到新興的納米機械、醫(yī)學、環(huán)保等領(lǐng)域都有著廣泛的應用。相信未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和研究的深入，BCN材料將會在更多領(lǐng)域中展現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢和潛在的應用價值。除了以上應用領(lǐng)域，BCN材料還在光電領(lǐng)域有著廣泛的應用。由于其寬帶隙和高載流子遷移率，BCN材料可應用于太陽能電池、LED及光電探測器等領(lǐng)域。同時，在激光技術(shù)中，BCN材料也被廣泛用于光解作用，利用光能激發(fā)BCN材料進而實現(xiàn)化學反應，這種應用方式被稱為光化學反應。

在能源領(lǐng)域，BCN材料也可以作為鋰離子電池的負極材料。相比于傳統(tǒng)的石墨負極，BCN材料具有更高的理論比容量和更長的循環(huán)壽命，可大幅提高鋰離子電池的能量密度和穩(wěn)定性。

此外，BCN材料還可以作為高效的電催化劑，如氫氣生產(chǎn)的陽極催化劑、氧還原反應催化劑等，并顯示出優(yōu)異的催化性能和長時間穩(wěn)定性。同時，將BCN材料用于燃料電池、電解水等領(lǐng)域中也具有廣泛的應用前景。

總之，BCN材料的應用領(lǐng)域涵蓋了科技領(lǐng)域中的許多方面，從電子、能源、光電領(lǐng)域到納米機械、醫(yī)學、環(huán)保等領(lǐng)域中也有著廣泛的應用。BCN材料不僅具有優(yōu)異的性能，而且可以通過不同的制備方法得到不同形態(tài)的納米材料，如納米線、納米片、納米球等，這些納米結(jié)構(gòu)也有著不同的性能和應用潛力。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和研究深入，BCN材料的應用前景必將更為廣闊。進一步深入探討，BCN材料還可以被應用于生物醫(yī)學領(lǐng)域中。這主要是由于BCN材料具有較高的生物相容性和低毒性，在MRI、生物成像、藥物傳遞等多個領(lǐng)域可以進行應用。此外，BCN材料還可以被用于DNA、蛋白質(zhì)的分離、檢測和分析，進一步拓展了其在生物學領(lǐng)域中的應用。

另外，在環(huán)境保護和污染治理領(lǐng)域，BCN材料也顯示出了許多應用潛力。由于其具有類似碳納米管的結(jié)構(gòu)、大的比表面積以及出色的氧化還原性能，BCN材料可以作為吸附劑、光催化劑、電化學催化劑等用于廢水處理、污染物分解等領(lǐng)域，可以在環(huán)境污染治理中擔任重要的角色。

總之，BCN材料是一種具有廣泛應用前景的新型納米材料，其在電子、能源、光電、生物醫(yī)學和環(huán)境保護等領(lǐng)域均有著重要的應用。盡管BCN材料的制備和應用在目前仍存在一些難點和挑戰(zhàn)，但是隨著技術(shù)的不斷提升和研究的深入，BCN材料的應用前景仍然是非常廣闊的。在未來，隨著人們對于BCN材料的認知深入，相信它會在更多的領(lǐng)域中得到應用，并發(fā)揮著更加重要的作用。除了以上所述的應用領(lǐng)域，BCN材料在磁性材料中的應用也受到了越來越多的關(guān)注。由于其具有非常特殊的電磁性能和介電性質(zhì)，可以被廣泛應用于磁性存儲、磁性傳感器等領(lǐng)域。近年來，研究人員利用BCN材料制備出具有優(yōu)異磁性性能的復合材料，相信未來還會有更多的研究集中于此。

對于BCN材料的制備方法，傳統(tǒng)的化學氣相沉積法和物理氣相沉積法都具有一定的局限性，而碳化硼納米片解決了這些問題。碳化硼納米片的