本文結(jié)合多弧離子鍍和磁控濺射兩種鍍膜方法的優(yōu)點(diǎn)，制備了TiN/SiO2 復(fù)合薄膜。通過掃描電鏡可以觀察到，制備的復(fù)合膜比單純的氮化鈦薄膜更加致密和光滑，基本消除了大顆粒的影響。另外，可以通過控制濺射SiO2 的時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)膜層色度的控制。在本文的試驗(yàn)條件下，當(dāng)氧化硅濺射時(shí)間為30 min時(shí)，得到的膜層為咖啡色，當(dāng)氧化硅濺射時(shí)間為1 h，膜層為玫瑰紅色。采用兩種鍍膜手段聯(lián)用的方法，可以得到高品質(zhì)，顏色豐富的膜系。

　　氮化鈦膜是一種黃色系的裝飾涂層，且具有良好的耐磨性，因此在裝飾領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。采用多弧離子鍍法在金屬表面制備氮化鈦裝飾層具有成膜速度快，膜層和基底結(jié)合力好的優(yōu)點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)許多裝飾鍍膜相關(guān)的廠家所采用。但是這種鍍膜方式也存在著一些不足：

　　①色度難控制：這是因?yàn)樵陔x子鍍膜過程中首先將鍍膜材料蒸發(fā)成蒸氣，是一個(gè)快速不易精確控制的過程，導(dǎo)致膜層的厚度不容易控制，為了得到特定厚度和色系的薄膜，鍍膜時(shí)間需要精確到秒，因此，對(duì)操作人員提出很高的要求，需要操作人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)；

　�、�“大顆粒”污染問題：多弧離子鍍膜過程中，由于電弧陰極斑在靶材表面滾動(dòng)燃燒時(shí)不斷產(chǎn)生中性團(tuán)簇，這些團(tuán)簇與等離子體一道噴發(fā)出來(lái)，沉積到膜層表面，形成大顆粒，造成表面的污染，進(jìn)而影響膜層的性能。

　　用磁控濺射設(shè)備制作膜材料是在20世紀(jì)40年代發(fā)展起來(lái)的，并隨著晶體管和CD 等的發(fā)展而得到普及和廣泛應(yīng)用，逐步成為產(chǎn)品制造的一種常用手段。磁控濺射鍍膜，膜厚容易控制且膜層致密：控制真空室中的氣壓、濺射功率，基本上可獲得穩(wěn)定的沉積速率，通過精確地控制濺射鍍膜時(shí)間，容易獲得均勻的高精度的膜厚和致密的膜層。

　　因此，在本文，結(jié)合兩種鍍膜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，研制了氮化鈦/ 氧化硅裝飾膜。先通過離子鍍得到一定厚度的氮化鈦膜層，然后通過磁控濺射的方法在氮化鈦膜層上濺射一層SiO2。濺射的SiO2 可以對(duì)氮化鈦膜層進(jìn)行修飾并對(duì)大顆粒進(jìn)行覆蓋。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為，得到的TiN/SiO2 復(fù)合膜非常致密，且顏色可以通過濺射氧化硅的時(shí)間來(lái)調(diào)控，豐富了膜系的顏色，提高了裝飾效果。

1、試驗(yàn)

　　1.1、樣品制備

　　試驗(yàn)中采用的基底為不銹鋼基底，尺寸為1 m×1 m。所有試樣表面經(jīng)拋光呈鏡面狀，然后分別在清洗液、丙酮、酒精中超聲波清洗各30 min，壓縮空氣吹干。TiN 膜通過多弧離子鍍進(jìn)行沉積，樣品在鍍膜室內(nèi)Ar 離子濺射清洗5 min 后開始沉積TiN，靶材為Ti 靶，純度為99.99%，靶室真空度3.2×10^-1 Pa。鍍膜工藝參數(shù)為N2 流量3.2×10^-5 m³ min^-1，Ar 流量為1.9 ×10^-5 m³ min^-1，濺射電壓為500 V，濺射電流為30 A，濺射時(shí)間為10 min。TiN 沉積完成后，在TiN 上進(jìn)一步濺射SiO2膜。濺射用的靶材為SiO2，純度為99.99%。實(shí)驗(yàn)中用Ar 氣作濺射氣體，并通入適量的氧氣，待電流和電壓充分穩(wěn)定后再進(jìn)行濺射。濺射時(shí)工作氣壓為0.7 Pa，自偏壓為620 V，濺射電壓為450 V，電流為0.16 A，濺射功率為80 W，鍍膜時(shí)間分別為30 min。

　　1.2、樣品測(cè)試設(shè)備

　　X- 射線衍射儀的型號(hào)為X’Pert Pro MPD，測(cè)試條件是0.02° 2θ s^-1。膜層的形貌通過S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM，Hitachi，Japan)觀測(cè)。表面成分用X 射線能量色散譜儀(EDS)進(jìn)行分析。反射光譜通過Lambda 750 紫外/ 可見/ 近紅外分光光度計(jì)測(cè)試，通過測(cè)試樣品的漫反射得到反射率。

2、結(jié)果與討論

　　圖1a 為不銹鋼基底的XRD 圖，在40°以后出現(xiàn)了不銹鋼的一系列特征峰。圖1b 為只鍍了氮化鈦的樣品的XRD 圖，和圖1a 相比，在36.8°出現(xiàn)了一個(gè)新的峰，對(duì)應(yīng)于Ti2N 的(112)晶面，證明了有Ti2N 生成。圖1c 為氮化鈦/ 二氧化硅膜的XRD 圖，和圖1b 相比，沒有新峰的出現(xiàn)，說(shuō)明形成的氧化硅為無(wú)定型的結(jié)構(gòu)。從熱力學(xué)角度看，薄膜的晶化需要克服一定的勢(shì)壘，由于本實(shí)驗(yàn)中，SiO2 薄膜沉積是在無(wú)加熱的條件下進(jìn)行的，鍍膜過程中薄膜的溫度不能達(dá)到SiO2 晶態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，因此得到的二氧化硅為無(wú)定形的結(jié)構(gòu)。

圖1 (a)不銹鋼基底、(b)TiN 膜和(c)TiN/SiO2 膜的XRD 圖

　　圖2 是TiN/SiO2 膜表面的EDS 圖，在圖上除了可以看到不銹鋼的組成元素(Fe、Mn、Ni、Cr)和Ti 元素以外，還可以明顯的看到Si 和O 元素的峰，這也間接證明了膜層中二氧化硅的存在。

圖2 TiN/SiO2 膜表面的EDS 圖

圖3 (a)氮化鈦，(b)氮化鈦/氧化硅膜層表面形貌

　　眾所周知，多弧離子鍍存在著“大顆粒”污染問題。大顆粒的存在會(huì)降低薄膜性能，使得多弧離子鍍很難制作出高質(zhì)量的功能薄膜，嚴(yán)重限制了多弧離子鍍技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用。圖3a 是采用多弧離子鍍制備的氮化鈦膜的表面形貌，可以明顯的看到大顆粒的存在，顆粒的大小約為20 nm~150 nm。對(duì)氮化鈦膜的表面進(jìn)行氬離子轟擊清洗，然后用磁控濺射的方法沉積氧化硅(濺射時(shí)間為30 min)，得到TiN/SiO2 復(fù)合薄膜，其表面的掃描電鏡照片見圖3b。從圖3b 中可以看到，磁控濺射沉積氧化硅以后，表面變得致密和均勻，基本上看不到大顆粒的存在。圖4 為TiN/SiO2 膜層的斷面掃描電鏡照片，可以明顯的看到層狀結(jié)構(gòu)的存在。從上往下，第I 層為氧化硅層，其厚度約為150 nm；第II 層對(duì)應(yīng)氮化鈦層，其厚度約為400 nm；第III 層為不銹鋼基底層。

圖4 氮化鈦/ 氧化硅膜層的斷面掃描電鏡照片

　　采用磁控濺射制備裝飾薄膜最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以方便的通過控制鍍膜時(shí)間來(lái)對(duì)膜層的顏色進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖5a 為氮化鈦膜的反射光譜，可以看到在400 nm 處出現(xiàn)拐點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的樣品為玫瑰金色(圖6a)。樣品b(氮化鈦/ 氧化硅復(fù)合膜，氧化硅濺射時(shí)間為30 min)的反射光譜拐點(diǎn)紅移了50 nm，為450 nm，且反射率有所下降，對(duì)應(yīng)為較暗的咖啡色(圖6b)。樣品c 為氮化鈦/ 氧化硅復(fù)合膜，氧化硅濺射時(shí)間為1 h，其反射光譜對(duì)應(yīng)的拐點(diǎn)紅移至490 nm，且反射率進(jìn)一步降低，對(duì)應(yīng)的顏色進(jìn)一步變暗，為玫瑰紅。

圖5 氮化鈦和氮化鈦/氧化硅薄膜的反射光譜

圖6 樣品實(shí)物照片

3、結(jié)論

　　針對(duì)多弧離子鍍膜存在的(1)色度難控制和(2)“大顆粒”污染問題，采用離子鍍膜和磁控濺射聯(lián)用的方式制備了氮化鈦/ 氧化硅復(fù)合膜。制備的復(fù)合膜比單純的氮化鈦薄膜更加致密和光滑，基本消除了大顆粒的影響。而且可以非常方便的通過調(diào)節(jié)濺射氧化硅的時(shí)間調(diào)節(jié)膜層的顏色。當(dāng)氧化硅濺射時(shí)間為30 min 時(shí)，得到的膜層為咖啡色，當(dāng)氧化硅濺射時(shí)間為1 h，膜層為玫瑰紅色。采用兩種鍍膜手段聯(lián)用的方法，可以得到高品質(zhì)，顏色豐富的膜系。