ZrO2具有高熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)率、高介電常數(shù)、高離子導(dǎo)電能力和高溫化學(xué)穩(wěn)定性，在光學(xué)薄膜、催化薄膜和氧化物燃料電池薄膜上得到廣泛應(yīng)用。ZrO2有三種晶體相：單斜相(M)、四方相(T)和立方相(C)。因而隨著溫度的變化ZrO2會(huì)發(fā)生相變，產(chǎn)生顯著的體積效應(yīng)，而且ZrO2的導(dǎo)熱系數(shù)小，熱膨脹系數(shù)大，這使得純ZrO2的抗熱震性很差，從而限制了ZrO2的應(yīng)用。在ZrO2中添加適量的氧化物穩(wěn)定劑，如Y2O3、MgO和CaO等，可以使ZrO2穩(wěn)定在高溫相。其中，Y3+半徑(0.09nm)與Zr4+半徑(0.08nm)、Y2O3折射率(1.9)與ZrO2折射率(2.0)非常接近，所以Y2O3的加入不會(huì)造成ZrO2晶格常數(shù)的顯著變化和折射率的明顯降低，Y2O3穩(wěn)定的ZrO2薄膜(YSZ)表現(xiàn)出良好的物理和化學(xué)性能。故本文采用Y2O3來穩(wěn)定ZrO2。ZrO2薄膜的制備方法有磁控濺射法、脈沖激光沉積法、電子束蒸發(fā)法、離子束輔助沉積法等，其中磁控濺射法薄膜沉積速率高，與基材結(jié)合性能好，因而被廣泛采用。在磁控濺射中，金屬靶材的濺射速率比化合物靶材的高出數(shù)倍至數(shù)十倍，因此在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常采用金屬靶材來制備ZrO2和YSZ薄膜。基材溫度對(duì)反應(yīng)濺射法制備薄膜的結(jié)構(gòu)和表面形貌具有很大影響，因此探索沉積溫度對(duì)ZrO2和YSZ薄膜顯微結(jié)構(gòu)的影響具有較重要的應(yīng)用價(jià)值。本文采用直流反應(yīng)磁控濺射法，分別使用純Zr靶材(純度99.999%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)和Y-Zr合金靶材(Y含量為14.2mol%)制備了ZrO2薄膜和釔穩(wěn)定氧化鋯薄膜(YSZ)，并研究了基材沉積溫度(25℃和300℃)對(duì)ZrO2薄膜、Y2O3穩(wěn)定ZrO2薄膜顯微結(jié)構(gòu)的影響。
實(shí)驗(yàn)采用JGP450型多靶頭磁控濺射儀，基材為K424合金，基材分別在無水乙醇和丙酮中超聲波清洗30min后烘干備用。鍍膜時(shí)本底真空度為6.6×10-4Pa，濺射氣體和反應(yīng)氣體分別為Ar(純度99.999%)和O2(純度99.999%)，濺射功率為90W，濺射氣壓為1.0Pa，Ar和O2流量分別為30mL/s和4mL/s，靶基距為60mm，濺射時(shí)間為60min，基材溫度分別為25℃和300℃。采用鎳鉻硅型熱電偶控制基片溫度，到達(dá)設(shè)定溫度后穩(wěn)定30min。鍍膜前靶材在純Ar氣氛中預(yù)濺射20min進(jìn)行清洗，然后通入O2，待輝光穩(wěn)定后開始實(shí)驗(yàn)。
采用直流反應(yīng)磁控濺射工藝在25℃和300℃分別制備了ZrO2薄膜和YSZ薄膜。結(jié)果表明：不同沉積溫度下ZrO2薄膜沉積速率差別不大，而YSZ薄膜在室溫時(shí)沉積速率較高，而且在相同的沉積條件下ZrO2薄膜比YSZ薄膜易于結(jié)晶。25℃時(shí)制備的ZrO2薄膜表現(xiàn)為非晶態(tài)，薄膜中只有微量的結(jié)晶態(tài)；300℃沉積的ZrO2薄膜結(jié)晶現(xiàn)象明顯，薄膜為單斜結(jié)構(gòu)的多晶體，晶體自由取向生長。而在25℃、300℃制備的YSZ薄膜均為非晶態(tài)。隨沉積溫度的升高，ZrO2薄膜表面趨于致密平整，而YSZ薄膜表面則變得更加粗糙。
