Nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của màng phủ nitrua hệ ti al cr n chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của
màng phủ nitrua hệ Ti-Al-Cr-N chế tạo bằng
phương pháp phún xạ magnetron
VŨ NGUYÊN HOÀNG


Ngành Kỹ thuật vật liệu

Chữ ký của GVHD
Giáo viên hướng dẫn 1: TS. Nguyễn Thị Thảo
Giáo viên hướng dẫn 2: TS. Lương Văn Đương

Viện: Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu

HÀ NỘI, 4/2023


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Vũ Ngun Hồng
Đề tài luận văn: Nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của màng phủ nitrua hệ
Ti-Al-Cr-N chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron.
Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
Mã số HV: 20202667M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác

giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày ……………….với
các nội dung sau:

……………………………………………..……………………………………
………………………………………………………………..…………………
…………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………
………………..…………………………………………………………………
…………………………………..………………………………………………
……………………………………..
Ngày tháng năm
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


Vũ Nguyên Hoàng

Lời cảm ơn
Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật
liệu – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình truyền đạt cho em những kiến thức chuyên
sâu về chuyên ngành và tạo điều kiện tốt nhất để em có thể dễ dàng được học tập tại
trường.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy giáo trong phòng TN Luyện kim
bột và Composites, các thầy cô đang công tác tại Viện Khoa học vật liệu – Viện Hàn
lâm Khoa học Việt Nam. Những người đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho em thực hiện
các thí nghiệm để hồn thành chúng em này.
Đặc biệt, em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Thị Thảo, TS.

Đặng Quốc Khánh và TS. Lương Văn Đương – những người thầy đã trực tiếp dẫn dắt
em trên con đường nghiên cứu trong hơn hai năm qua. Các thầy cô không chỉ trực tiếp
cầm tay chỉ việc mà con đưa ra rất nhiều lời khuyên hữu ích trong cả công việc và đời
sống. Các thầy cô cũng đã tiếp cho em rất nhiều động lực để hồn thành chúng em này.
Cùng với đó, em xin gửi lời cảm ơn đến ThS. Nguyễn Ngọc Linh công tác tại Viện
Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam đã chỉ bảo em rất nhiều trong
quá trình làm thí nghiệm ở đây. Xin cảm ơn các bạn sinh viên trong phòng TN Luyện
kim bột và Composites đã hỗ trợ em trong quá trình em làm việc ở đây.
Cuối cùng, em xin cảm ơn người thân trong gia đình đã tạo điều kiện và làm chỗ
dựa vững chắc về tinh thần trong suốt những năm vừa qua.
Em xin chân thành cảm ơn.

I


Vũ Ngun Hồng

Tóm tắt nội dung luận văn
Sự mài mịn và ăn mòn là một vấn đề nhức nhối tồn tại trong công nghiệp từ trước
đến nay. Đây là nguyên nhân chính gây ra sự mất năng lượng và sự tổn hao vật liệu
khiến cho hiệu suất làm việc và tuổi thọ của các chi tiết máy, dụng cụ cắt gọt giảm đi
một cách đáng kể. Theo thống kê của các nước phát triển, vấn đề ma sát đã làm tiêu hao
khoảng 30% năng lượng vận hành sản xuất. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo các loại
màng phủ có đặc tính tốt như: độ cứng cao, ma sát thấp, chịu ăn mòn và bền nhiệt đang
là vấn đề cấp thiết trong công nghiệp hiện đại.
Qua nhiều năm nghiên cứu và phát triển, có rất nhiều loại màng phủ được chế tạo
để bảo vệ các chi tiết nhằm làm tăng tuổi thọ và mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng,
có thể kể đến như màng TiN, CrN, AlN, TiAlN, TiAlSiN, TiAlBN, TiAlCrN, …. Trong
đó, màng phủ TiAlCrN cho thấy các tính chất đặc trưng vượt trội như độ cứng cao, khả
năng chống mài mòn và ăn mòn tốt. Hiện nay, một số phương pháp chế tạo màng đã

được sử dụng như bốc bay chân không, phún xạ, hồ quang cathode hay chùng điện tử.
Trong đó, phương pháp phún xạ được sử dụng phổ biến hơn cả vì đây là phương pháp
đơn giản, có chi phí thấp, hiệu suất tạo màng cao và tạo độ bền bám dính tốt.
Dựa vào các vấn đề đã trình bày ở trên, với mong muốn tạo ra màng phủ TiAlCrN
có độ cứng cao, hệ số ma sát thấp và khả năng bám dính tốt nhằm định hướng ứng dụng
cho ngành công nghiệp dụng cụ cắt gọt ở Việt Nam, em xin lựa chọn đề tài luận văn:
“Nghiên cứu một số tính chất đặc trưng của màng phủ nitrua hệ Ti-Al-Cr-N chế
tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron”.
Trong luận văn này, em sẽ tiến hành chế tạo màng phủ TiAlCrN bằng phương pháp
phún xạ magnetron trên đế thép SKD và Si, sử dụng hai bia (TiAl, Cr) và một bia đơn
(TiAlCr). Trong đó, đối với trường hợp chế tạo màng TiAlCrN sử dụng hai bia phún xạ
(TiAl và Cr) sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của cơng suất phún xạ bia TiAl, cịn trường hợp
sử dụng một bia đơn (TiAlCr) sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ khí Ar/N2 đến một số
tính chất đặc trưng của màng. Các kết quả thu được mẫu màng phủ TiAlCrN có cấu trúc
đơn pha dạng lập phương tâm mặt fcc-TiN, kích thước hạt mịn, độ nhám bề mặt < 16
nm, độ cứng > 36 GPa, modul đàn hồi > 340 GPa, hệ số ma sát trong điều kiện thường
< 0.7 và độ bền bám dính > 20 N.
Học viên thực hiện

Vũ Nguyên Hoàng
II


Vũ Ngun Hồng

Mục lục
Lời cảm ơn ...................................................................................................................... i
Tóm tắt nội dung luận văn ........................................................................................... ii
Danh mục hình ảnh ...................................................................................................... v
Danh mục bảng ..........................................................................................................viii

Danh mục chữ viết tắt .................................................................................................. x
Chương 1: Tổng quan về màng phủ Nitrua .............................................................. 1
1.1

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước .................................................. 1

1.1.1

Tình hình nghiên cứu ngồi nước ........................................................... 2

1.1.2

Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................... 7

1.2

Cấu trúc màng phủ Nitrua ............................................................................. 7

1.2.1

Màng TiN .................................................................................................. 7

1.2.2

Màng TiAlN .............................................................................................. 8

1.2.3

Màng CrN ................................................................................................. 9

1.2.4

Màng AlCrN ............................................................................................. 9

1.2.5

Màng TiAlCrN........................................................................................ 10

1.3

Các phương pháp chế tạo màng phủ nitrua ............................................... 10

1.3.1

Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) ........................................ 10

1.3.2

Phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý PVD ....................................... 12

1.3.2.1 Phương pháp bốc bay chân không .................................................... 12
1.3.2.2 Phương pháp bốc bay hồ quang cathode (Cathodic arc
evaporation) ...................................................................................................... 13
1.3.2.3 Phương pháp phún xạ ........................................................................ 14
1.4

Sự hình thành màng phủ bằng phương pháp phún xạ ............................. 22

1.4.1

Phún xạ vật liệu ...................................................................................... 22

1.4.2

Sự chuyển động của các hạt phún xạ ................................................... 23

1.4.3

Lắng đọng trên bề mặt đế ...................................................................... 23

1.5

Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................... 24
III


Vũ Nguyên Hoàng

Chương 2: Thực nghiệm chế tạo màng phủ và phương pháp nghiên cứu........... 25
2.1

Phương pháp chế tạo màng phủ nitrua ...................................................... 25

2.1.1

Thành phần hóa học của bia phún xạ .................................................. 25

2.1.2

Phương pháp xử lý bề mặt mẫu đế ....................................................... 26

2.1.3

Chế tạo màng phủ nitrua TiAlCrN ...................................................... 27

2.2

Phương pháp nghiên cứu tính chất đặc trưng của màng phủ .................. 29

2.2.1

Phương pháp đo độ cứng ....................................................................... 30

2.2.2

Phương pháp đo hệ số ma sát................................................................ 30

2.2.3

Phương pháp đo độ bền bám dính........................................................ 31

2.2.4

Phương pháp đo độ mấp mô bề mặt..................................................... 32

2.2.5

Các phương pháp kiểm tra khác .......................................................... 33

Chương 3: Kết quả và thảo luận .............................................................................. 35

3.1

Chế tạo màng phủ TiAlCrN sử dụng 2 bia phún xạ TiAl và Cr .............. 35

3.1.1

Ảnh hưởng của công suất phún xạ đến cấu trúc màng ...................... 35

3.1.2

Ảnh hưởng của cơng suất phún xạ đến cơ tính của màng.................. 38

3.2

Chế tạo màng phủ TiAlCrN sử dụng 1 bia phún xạ TiAlCr .................... 43

3.2.1

Ảnh hưởng của tỉ lệ khí Ar/N2 cấu trúc màng .................................... 43

3.2.2

Ảnh hưởng của tỉ lệ khí Ar/N2 đến cơ tính của màng ........................ 47

Chương 4: Kết luận & Kiến nghị ............................................................................. 54
4.1

Kết luận .......................................................................................................... 54

4.2

Kiến nghị ........................................................................................................ 55

Cơng trình nghiên cứu đã cơng bố ............................................................................ 56
Tài liệu tham khảo ...................................................................................................... 62

IV


Vũ Ngun Hồng

Danh mục hình ảnh
Hình 1.1. Độ cứng và modul đàn hồi của màng phủ TiAlN và TiAlCrN (I,II) [25] ...... 3
Hình 1.2. Hệ số mài mịn, hệ số đàn hồi và độ cứng tế vi của màng phủ TiAlN và
TiAlCrN [31] .................................................................................................................. 4
Hình 1.3. Độ tăng trọng lượng oxy hóa đẳng nhiệt của các lớp phủ đc thử nghiệm ở
các nhiệt nhiệt độ khác nhau trong thời gian 2h [32] .................................................... 5
Hình 1.4. Tỉ lệ mài mịn được đo với bi Al2O3 (bên trái) và hệ số ma sát trung bình
(bên phải) của màng mỏng được đo ở nhiệt độ phịng và 650 oC [33] .......................... 5
Hình 1.5. Hình ảnh SEM mặt cắt ngang của mẫu TiAlCrN có tỉ lệ Ti/Al/Cr là 46/54/0
(a và f), 35/42/23 (b và g), 29/36/35 (c và h), 26/33/41 (d và i), 24/29/47 (e và j) với
Al/(Ti + Al) ~0,55 được oxy hóa ở nhiệt độ 850 oC (a-e) và 900 oC (f-j) trong 20h [34]
........................................................................................................................................ 6
Hình 1.6. Hình ảnh SEM mặt cắt ngang của mẫu TiAlCrN có tỉ lệ Ti/Al/Cr là 34/66/0
(a và f), 26/48/26 (b và g), 22/40/38 (c và h), 19/38/43 (d và i), 18/35/47 (e và j) với
Al/(Ti + Al) ~0,65 được oxy hóa ở nhiệt độ 850 oC (a-e) và 900 oC (f-j) trong 20h [34]
........................................................................................................................................ 6
Hình 1.7. Cấu trúc tinh thể màng TiN [46] ................................................................... 8
Hình 1.8. Cấu trúc tinh thể màng TiAlN [49] ................................................................ 8
Hình 1.9. Cấu trúc tinh thể màng CrN .......................................................................... 9

Hình 1.10. Cấu trúc tinh thể màng AlCrN [56] ............................................................. 9
Hình 1.11. Cấu trúc tinh thể màng TiAlCrN................................................................ 10
Hình 1.12. Sơ đồ kỹ thuật phương pháp bốc bay hồ quang cathode [63] ................... 14
Hình 1.13. Các vùng đặc trưng của phương pháp phún xạ [64]................................. 16
Hình 1.14. Sơ đồ hệ phóng điện cao áp một chiều ...................................................... 17
Hình 1.15. Sơ đồ hệ phóng điện cao tần có tụ chặn làm tăng hiệu suất bắn phá ion . 18
Hình 1.16. Sơ đồ hệ phún xạ magnetron ..................................................................... 19
Hình 1.17. Sơ đồ hệ magnetron cân bằng ................................................................... 20
Hình 1.18. Sơ đồ hệ magnetron khơng cân bằng......................................................... 21

V


Vũ Ngun Hồng

Hình 1.19. Phương pháp phát triển màng phủ: a) Mơ hình đảo Volmer – Weber; b)
Mơ hình lớp Frank – Vander Merwe; c) Mơ hình hỗn hợp Stransky - Krastanov [65]
...................................................................................................................................... 23
Hình 2.1. Bia phún xạ: a) TiAlCr; b) TiAl; c) Cr ........................................................ 25
Hình 2.2. Các thiết bị được sử dụng trong quá trình chuẩn bị mẫu: a) Máy mài, b)
Máy rung siêu âm, c) Tủ sấy ........................................................................................ 26
Hình 2.3. Mẫu đế thép SKD sau khi được mài và đánh bóng ..................................... 26
Hình 2.4. Thiết bị phún xạ UNIVEX 400 tại Viên Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm
Khoa học Việt Nam ....................................................................................................... 27
Hình 2.5. Thiết bị đo độ cứng Nano-indenter Helmut Fisher HM 2000 ..................... 30
Hình 2.6. Sơ đồ thiết bị đo hệ số ma sát bằng phương pháp Pin-on-Disk .................. 31
Hình 2.7. Thiết bị TRIBOtest Anton Paar, Dự án SAHEP, Viện Khoa học và Kỹ thuật
Vật liệu, tại Đại học Bách Khoa Hà Nội ...................................................................... 31
Hình 2.8. Sơ đồ thiết bị đo độ bền bám dính bằng phương pháp Scratch................... 32
Hình 2.9. Hệ thống đo độ nhám bề mặt bằng phương pháp Stylus ............................. 32

Hình 2.10. Thiết bị đo độ mấp mô bề mặt và chiều dày màng phủ Sufcom 1500SD3. 33
Hình 2.11. Thiết bị quang phổ nhiễu xạ X Panalytical Aeris, Dự án SAHEP, Viện
Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Đại học Bách Khoa Hà Nội ....................................... 33
Hình 2.12. Máy hiển vi điện tử quét (Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Đại học
Bách khoa Hà Nội (theo dự án SAHEP) ...................................................................... 34
Hình 3.1. Kết quả XRD của màng TiAlN và TiAlCrN với công suất phún xạ bia TiAl
khác nhau (150W, 350W, 450W) .................................................................................. 35
Hình 3.2. Kết quả tổ chức tế vi và biểu đồ phân bố kích thước hạt của màng TiAlN a)
và màng TiAlCrN (b, c, d) được chế tạo với các công suất phún xạ bia TiAl khác nhau
(150W, 350W, 450W).................................................................................................... 36
Hình 3.3. Tốc độ phún xạ của màng TiAlCrN chế tạo với công suất phún xạ bia TiAl
khác nhau ...................................................................................................................... 37
Hình 3.4. Độ nhám bề mặt của các mẫu a) TiAlN, b) TiAlCrN-150W, c) TiAlCrN350W, d) TiAlCrN-450W .............................................................................................. 38
Hình 3.5. Độ cứng và modul đàn hồi của màng TiAlCrN chế tạo dưới công suất
nguồn TiAl khác nhau ................................................................................................... 39
Hình 3.6. Hệ số ma sát của màng TiAlCrN trong điều kiện ma sát khô...................... 41
VI


Vũ Ngun Hồng

Hình 3.7. Hệ số ma sát của màng TiAlCrN trong dầu ................................................ 41
Hình 3.8. Độ bền bám dính của các mẫu a) TiAlN, b) TiAlCrN-150W, c) TiAlCrN350W, d) TiAlCrN-450W .............................................................................................. 42
Hình 3.9. Kết quả XRD màng TiAlCrN chế tạo dưới điều kiện tỉ lệ khí Ar-N2 khác
nhau .............................................................................................................................. 43
Hình 3.10. Kết quả tổ chức tế vi và biểu đồ phân bố kích thước hạt của màng
TiAlCrN chế tạo dưới điều kiện tỉ lệ khí Ar-N2 khác nhau ........................................... 44
Hình 3.11. Tốc độ phún xạ trung bình của màng TiAlCrN chế tạo dưới điều kiện tỉ lệ
khí Ar-N2 khác nhau ..................................................................................................... 46
Hình 3.12. Độ nhám màng TiAlCrN chế tạo dưới điều kiện tỉ lệ khí Ar/N2 khác nhau

...................................................................................................................................... 47
Hình 3.13. Độ cứng màng TiAlCrN chế tạo dưới điều kiện tỉ lệ khí Ar-N2 khác nhau48
Hình 3.14. Hệ số ma sát màng TiAlCrN chế tạo dưới điều kiện tỉ lệ khí Ar-N2 khác
nhau .............................................................................................................................. 50
Hình 3.15. Độ bền bám dính của các mẫu chế tạo dưới điều kiện Ar/N2 khác nhau
(12/1; 9/1; 6/1; 3/1; 1/1) ............................................................................................... 51

VII


Vũ Nguyên Hoàng

Danh mục bảng
Bảng 1.1. Ứng dụng của các loại màng phủ .................................................................. 1
Bảng 2.1. Thành phần hóa học của các loại bia phún xạ ............................................ 25
Bảng 2.2. Thông số chế tạo lớp trung gian Cr ............................................................ 28
Bảng 2.3. Thông số chế tạo màng TiAlCrN bằng phương pháp 2 bia TiAl và Cr ....... 28
Bảng 2.4. Thông số chế tạo màng TiAlCrN bằng phương pháp sử dụng 1 bia TiAlCr
...................................................................................................................................... 29
Bảng 3.1. Kích thước hạt của màng TiAlCrN chế tạo với công suất phún xạ bia TiAl
khác nhau ...................................................................................................................... 36
Bảng 3.2. Chiều dày màng phủ TiAlCrN chế tạo với công suất phún xạ bia TiAl khác
nhau .............................................................................................................................. 37
Bảng 3.3. Tốc độ phún xạ trung bình của màng TiAlCrN chế tạo với công suất phún
xạ bia TiAl khác nhau ................................................................................................... 38
Bảng 3.4. Độ nhám bề mặt màng phủ TiAlCrN chế tạo với công suất phún xạ bia TiAl
khác nhau ...................................................................................................................... 39
Bảng 3.5. Độ cứng của màng phủ TiAlCrN chế tạo với công suất phún xạ bia TiAl
khác nhau ...................................................................................................................... 40
Bảng 3.6. Hệ số ma sát của màng phủ TiAlCrN chế tạo với công suất phún xạ bia

TiAl khác nhau .............................................................................................................. 42
Bảng 3.7. Kích thước hạt và chiều dày màng TiAlCrN chế tạo dưới điều kiện Ar-N2
khác nhau ...................................................................................................................... 45
Bảng 3.8. Tốc độ phún xạ trung bình của màng TiAlCrN chế tạo dưới điều kiện tỉ lệ
khí Ar-N2 khác nhau ..................................................................................................... 46
Bảng 3.9. Độ nhám bề mặt màng TiAlCrN chế tạo dưới điều kiện tỉ lệ khí Ar-N2 khác
nhau .............................................................................................................................. 47
Bảng 3.10. Độ cứng và modul đàn hồi màng TiAlCrN chế tạo dưới điều kiện tỉ lệ khí
Ar-N2 khác nhau ........................................................................................................... 49
Bảng 3.11. So sánh độ cứng và modul đàn hồi của màng TiAlCrN của luận án chế tạo
được với các kết quả đã được công bố trên thế giới .................................................... 49
Bảng 3.12. Hệ số ma sát màng TiAlCrN chế tạo dưới điều kiện tỉ lệ khí Ar-N2 khác
nhau .............................................................................................................................. 51
VIII


Vũ Nguyên Hoàng

Bảng 3.13. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của cơng suất nguồn TiAl tới tính chất màng
TiAlCrN chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron ............................................ 52
Bảng 3.14. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khí Ar/N2 tới tính chất màng
TiAlCrN chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron ............................................ 53

IX


Vũ Nguyên Hoàng

Danh mục chữ viết tắt
CVD

Lắng đọng pha hơi hóa học

PVD

Lắng đọng pha hơi vật lý

Fcc

Lập phương tâm mặt

Bcc

Lập phương tâm khối

Hcp

Lục giác xếp chặt

X


Vũ Nguyên Hoàng

Chương 1: Tổng quan về màng phủ Nitrua
1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
Màng phủ, một thuật ngữ phổ biến trên thế giới ngày nay, đã có lịch sử hơn 5000
năm [1]. Người ta định nghĩa màng phủ là một hay nhiều lớp vật liệu mỏng được chế
tạo sao cho chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với các chiều còn lại. Màng phủ đầu tiên
được chế tạo thông qua phản ứng tráng gương do người Ai Cập tìm ra.

Ngày nay, màng phủ đã được nghiên cứu và phát triển để ứng dụng vào hầu hết các
lĩnh vực trong. Dựa trên tính chất của màng, người ta phân loại màng phủ thành 6 loại
cơ bản như sau: màng phủ quang học, màng phủ điện, màng phủ từ, màng phủ hóa học,
màng phủ nhiệt và màng phủ cơ. Các ứng dụng điển hình của các loại màng được nêu
trong Bảng 1.1:
Bảng 1.1. Ứng dụng của các loại màng phủ
Loại tính chất màng mỏng

Ứng dụng điển hình
Lớp phản xạ hoặc chống phản xạ
Màng lọc giao thoa

Quang học

Trang trí
Đĩa nhớ
Ống dẫn sóng
Cách điện

Điện

Dẫn điện
Linh kiện bán dẫn
Linh kiện áp điện

Từ

Lưu trữ thơng tin
Lớp ngăn khuếch tán

Hóa

Lớp chống oxy hóa, chống ăn mịn
Cảm biến khí/lỏng

Cơ
Nhiệt

Lớp chống mài mịn
Tăng độ cứng
Lớp cách nhiệt
Lớp tỏa nhiệt
1


Vũ Nguyên Hoàng

Trong nhiều năm trở lại đây, ứng dụng của màng phủ cơ là màng phủ cứng trên cơ
sở kim loại chuyển tiếp Titan (Ti) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như:
hàng không vũ trụ, công nghiệp ô tô, y học, … Đặc biệt, các loại màng này được ứng
dụng rộng rãi trên dụng cụ cắt từ năm 1970 và cho đến nay đã có trên 90% các dụng cụ
cắt được phủ để tăng hiệu suất, phạm vi ứng dụng và kéo dài tuổi thọ của dụng cụ.
Trong số đó màng phủ Nitrua rất được quan tâm nghiên cứu và phát triền nhờ những
tính chất ưu việt của nó.

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Mở đầu cho việc nghiên cứu màng phủ Nitrua là việc nghiên cứu chế tạo màng TiN
bằng kỹ thuật lắng đọng hóa học pha hơi (CVD) vào năm 1975 [2] và bằng phương
pháp lắng đọng pha hơi vật lý (PVD) vào năm 1980 [3]. Tiếp đó là sự thành cơng trong
việc chế tạo màng phủ CrN bằng phương pháp phún xạ phản ứng vào năm 1986 [4].

TiN và CrN cũng là hai loại màng phủ đầu tiên được ứng dụng vào để bảo vệ dụng cụ
cắt bởi độ cứng cao khả năng chống phá hủy tốt và độ bền bám dính cao trên nền thép
hoặc hợp kim cứng. Tuy nhiên, khả năng chống oxy hóa của màng TiN và CrN tương
đối thấp (điểm bắt đầu oxy hóa tương ứng là ~450 oC [5] và 600 oC [6]). Do đó, việc
thêm vào nguyên tố thứ hai để ổn định nhiệt và tăng khả năng chống oxy hóa. Đã có
nhiều cơng trình nghiên cứu được thực hiện để nâng cao các tính chất của màng phủ
trong những thập kỷ qua. Trong đó màng nitrua TiAlN với cấu trúc NaCl lập phương là
đối tượng được đặc biệt quan tâm.
Các nghiên cứu nổi bật về màng TiAlN có thể kể đến như nghiên cứu của Yoon [7]
về một số tính chất cơ học của màng TiN và TiAlN; Ảnh hưởng của hàm lượng Al tới
khả năng chống oxy hóa của màng TiAlN trong nghiên của Huang [8]; So sánh sự phát
triển màng TiAlN trong phương pháp phún xạ magnetron không cần bằng và phún xạ
liên kết hồ quang trong nghiên cứu của W-D Munz [9], …
Tuy nhiên, màng phủ TiAlN có hai nhược điểm là (i) sự giảm độ cứng đáng kể ở
nhiệt độ cao [10] và (ii) hệ số ma sát tương đối cao ở nhiệt độ cao [11]. Để cải thiện
tính chất của màng TiAlN, các nguyên tố thứ ba khác nhau đã được đưa vào hệ màng
phủ, chẳng hạn như Cr [12, 13], Si [14, 15], Nb [16], Ta [17, 18], Y [19], Zr [20] hoặc
Hf [21]. Hầu hết các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nếu các nguyên tố này được thêm vào
với tỷ lệ mol < 0,1%; chúng thường có ảnh hưởng tích cực đến các đặc tính cơ học và
ổn định nhiệt của màng phủ. Trường hợp cụ thể về ảnh hưởng của việc bổ sung Cr đến
các loại màng có cấu trúc của NaCl, người ta đã chỉ ra rằng nó có thể cản trở sự phân
hủy spinodal bằng cách làm chậm sự khuếch tán và hình thành các miền c-TiN và cAlN [22], có liên quan đến sự phá hủy của các lớp phủ đang sử dụng. Hơn nữa, Cr cải
thiện khả năng chống oxy hóa và tăng hiệu suất của lớp phủ.
2


Vũ Nguyên Hoàng

Vào những năm cuối của cuối của thập niên 90, Donohue [23] và các cộng sự đã
đặt nền móng cho việc đưa thêm Cr và Y vào màng TiAlN để làm tăng khả năng chống

oxy hóa của màng phủ trong điều kiện làm việc ở nhiêt độ cao. Kết hợp phương pháp
phún xạ magnetron không cân bằng với điều khiển hồ quang, nhóm nghiên cứu đã lần
lượt đưa 3 %mol Cr và 2 %mol Y vào màng TiAlN và thu được kết quả rất khả quan
khi nhiệt độ oxy hóa được nâng từ ~450 oC với màng TiN lên ~870 oC với màng TiAlN
(Ti/Al = 46/54 %mol), ~920 oC với TiAlCrN (Ti/Al/Cr = 44/53/3 %mol) và ~950 oC
với TiAlCrYN (Ti/Al/Cr/Y = 43/52/3/2 %mol).
Năm 2000, Munz cùng Donohue và Hovsepian [9] đã nghiên cứu chế tạo màng
TiAlCrN bằng phương pháp hồ quang cathode kết hợp phún xạ magnetron không cân
bằng. Kết quả màng thu được có cấu trúc B1, độ dày từ 3~5 μm, hệ số ma sát trung bình
là 0,68 và độ cứng là 25 GPa.
Năm 2003, nhóm nghiên cứu của Yamamoto [24], đã chế tạo màng TiAlCrN bằng
phương pháp hồ quang cathode tăng cường plasma và khảo sát một số tính chất cơ học
của màng. Kết quả thu được màng có cấu trúc B1, khả năng chống oxy hóa lên tới 1000
o
C và độ cứng ~35 GPa trong khi với phương pháp cathode truyền thống chỉ thu được
~30 GPa.
Năm 2004, màng TiAlCrN được Santana [25] và các cộng sự chế tạo thành công
bằng phương pháp hồ quang cathode. Kết quả cho thấy khi nguyên tố Cr được đưa thêm
vào, pha hcp-(Ti,Al)N có xu hướng suy giảm và biến mất giúp độ cứng của màng phủ
được cải thiện một cách rõ rệt. Kết quả độ cứng và modul đàn hồi trong nghiên cứu của
Santana được biểu thị trên Hình 1.1.

Hình 1.1. Độ cứng và modul đàn hồi của màng phủ TiAlN và TiAlCrN (I,II) [25]
3


Vũ Nguyên Hoàng

Theo khảo sát của Fox-rabinovich [26] vào năm 2005 với màng TiAlCrN (Ti/Al/Cr
= 10/70/20 %mol) được chế tạo bằng phương pháp hồ quang cathode tăng cường plasma

trên nền thép Halfield cho thấy tuổi thọ của dụng cụ cắt đã tăng gần gấp đôi so với việc
phủ TiAlN. Sau đó là một chuỗi các nghiên cứu của tác giả này về việc thêm các nguyên
tố mới vào màng phủ TiAlCrN hoặc chế tạo màng đa lớp trên cơ sở màng TiAlCrN có
thể kể đến như: màng đa lớp TiAlCrN/WN [27], màng đa lớp TiAlCrN/NbN [28], màng
TiAlCrSiYN/TiAlCrN [29], màng TiAlCrSiYN [30] …
Kết quả khảo sát của nhóm Kovalev [31] vào năm 2006 thu được cho thấy việc
thêm đồng thời Al và Cr vào màng TiN sẽ làm suy yếu các liên kết trong mạng tinh thể
và làm giảm độ phân cực của các liên kết này. Điều này cải thiện độ dẻo dai của màng
phủ, từ đó cải thiện tuổi thọ làm việc của dụng cụ cắt trong điều kiện mài mịn. Hình
1.2 biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số mài mòn, hệ số đàn hồi và độ cứng tế vi của màng
phủ TiAlN và TiAlCrN trong nghiên cứu của Kovalev.

Hình 1.2. Hệ số mài mịn, hệ số đàn hồi và độ cứng tế vi của màng phủ TiAlN và
TiAlCrN [31]
Trong năm 2017, nhóm của Danek [32] đã chế tạo màng TiAlCrN trên đế WC bằng
phương pháp phún xạ magnetron không cân bằng với sự thay đổi hàm lượng Cr và khảo
sát khả năng chống oxy hóa khi làm việc ở điều kiện nhiệt độ cao. Kết quả thu được
cho thấy khi hàm lượng Cr tăng lên và hàm lượng N giảm khi tăng công suất phún xạ
tại bia Cr. Cùng với đó thì khả năng chống oxy hóa của màng tăng trong điều kiện làm
việc 1000 oC nhưng lại giảm ở điều kiện 900 oC khi hàm lượng Cr tăng (Hình 1.3).

4


Vũ Ngun Hồng

Hình 1.3. Độ tăng trọng lượng oxy hóa đẳng nhiệt của các lớp phủ đc thử nghiệm ở
các nhiệt nhiệt độ khác nhau trong thời gian 2h [32]
Vẫn trong năm 2017, Fernandes [33] và cộng sựu cũng chế tạo màng TiAlCrN bằng
phương pháp phún xạ magnetron với sự thay đổi của hàm lượng Cr. Nghiên cứu khả

năng làm việc của lưỡi cắt trong điều kiện nhiệt độ cao. Kết quả thu được cho thấy hệ
số mài mòn và hệ số ma sát của màng sẽ giảm trong môi trường nhiệt độ cao khi hàm
lượng Cr tăng (Hình 1.4).

Hình 1.4. Tỉ lệ mài mòn được đo với bi Al2O3 (bên trái) và hệ số ma sát trung bình
(bên phải) của màng mỏng được đo ở nhiệt độ phòng và 650 oC [33]
Khảo sát khả năng chống oxy hóa của màng Ti1-x-yAlxCryN của Yu [34] năm 2017
với tỉ lệ %mol Al/(Ti + Al) là ~ 0,55 và ~ 0,65 với tỉ lệ %mol Cr lên tới y ~ 0,47 cho
kết quả tốt nhất với màng TiAlCrN có tỉ lệ Ti/Al/Cr là 26/48/26 và 22/40/38. Kết quả
chi tiết được thể hiện trên Hình 1.5 và Hình 1.6.
5


Vũ Ngun Hồng

Hình 1.5. Hình ảnh SEM mặt cắt ngang của mẫu TiAlCrN có tỉ lệ Ti/Al/Cr là 46/54/0
(a và f), 35/42/23 (b và g), 29/36/35 (c và h), 26/33/41 (d và i), 24/29/47 (e và j) với
Al/(Ti + Al) ~0,55 được oxy hóa ở nhiệt độ 850 oC (a-e) và 900 oC (f-j) trong 20h [34]

Hình 1.6. Hình ảnh SEM mặt cắt ngang của mẫu TiAlCrN có tỉ lệ Ti/Al/Cr là 34/66/0
(a và f), 26/48/26 (b và g), 22/40/38 (c và h), 19/38/43 (d và i), 18/35/47 (e và j) với
Al/(Ti + Al) ~0,65 được oxy hóa ở nhiệt độ 850 oC (a-e) và 900 oC (f-j) trong 20h [34]
Năm 2019, Sui [35] đã nghiên cứu chế tạo màng TiAlCrN (tỉ lệ Ti/Al/Cr lần lượt
là 32/38/30, 22/27/51, 17/19/64 %mol) bằng phương pháp phún xạ magnetron. Kết quả
6


Vũ Nguyên Hoàng

nghiên cứu cho thấy khi hàm lượng nguyên tố Cr trong màng tăng lên: (I) kích thước

hạt và độ nhám bề mặt màng tăng nhẹ, (II) độ cứng màng giảm, (III) khả năng chống
oxy hóa của màng tăng.
Năm 2020, nghiên cứu chế tạo màng TiAlCrN bằng phương pháp phún xạ
magnetron hỗn hợp của Gui [36] thu được màng có kết quả tốt nhất với độ cứng 28,3
GPa, modul đàn hồi 382 GPa và hệ số ma sát trong khơng khí 0,47.

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, nghiên cứu về màng phủ nitrua đã được thực hiện trong nhiều năm
qua. Một số nghiên cứu màng đơn lớp tiêu biểu có thể kể đến như nghiên cứu chế tạo
màng TiN của tác giả Lê Trần [37], tác giả Võ Trần Tuyết Thương [38], tác giả Võ
Thạch Sơn [39]; nghiên cứu chế tạo màng CrN của tác giả Đinh Thị Mộng Cầm [40],
tác giả Trần Văn Đua [41]. Các nghiên cứu trên được thực hiện bằng nhiều phương
pháp chế tạo khác nhau, ứng dụng cho nhiều lĩnh vực trong thực tiễn. Kết quả thu được
của những nghiên cứu này là tương đối khả quan.
Đối với màng phủ đa lớp cũng đã có một kết quả nghiên cứu ban đâu như: Tác giả
Nguyễn Thành Hợp (luận văn thạc sĩ-2009) đã nghiên cứu chế tạo lớp phủ cứng đa lớp
TiN-TiCN, tác giả Trân Thị Như Hoa (Khoa Vật liệu, Đại học khoa học tự nhiên) đã
nghiên cứu chế tạo các lớp phủ đa lớp Ti tinh khiết và các lớp siêu hợp mạng TiN/CrN
xen kẽ nhau.
Các nghiên cứu có thể kể đến trong thời gian trở lại đây có thể kể đến nghiên cứu
của tác giả Đinh Thị Mai Thanh [42] năm 2013 và tác giả Mai Thị Tuyết Trinh [43]
năm 2019 trong nghiên cứu ứng dụng của màng TiN. Ngồi ra, ta có thể nhắc đến nghiên
các nghiên cứu của PGS. TS. Nguyễn Thị Thúy Hằng [44, 45] về màng BN.

1.2 Cấu trúc màng phủ Nitrua
1.2.1 Màng TiN
Màng TiN có dạng lập phương của NaCl (B1, fcc-TiN) và có thông số mạng đã
được xác định a = 4,24 Ǻ (Hình 1.7). Mạng có cấu trúc liên kết dạng hỗn hợp của ba
loại liên kết là: cộng hóa trị, ion và kim loại [46, 47]. Liên kết cộng hóa trị và liên kết
Ion là loại liên kết có năng lượng liên kết rất lớn giải thích cho độ cứng của màng TiN

cao (~20 GPa) và có cấu trúc dạng đơn tinh thể [48]. Màng TiN có màu vàng và cơ lý
tính tốt tuy nhiên khả năng làm việc ở nhiệt độ cao không tốt do màng sẽ bị mất khả
năng chống oxy hóa từ ~450 oC và nó cũng là nhược điểm chính của dụng cụ được phủ
bằng TiN.
7


Vũ Ngun Hồng

Hình 1.7. Cấu trúc tinh thể màng TiN [46]

1.2.2 Màng TiAlN
Trong những năm 1980, kim loại nhôm (Al) đã được đưa vào màng phủ TiN để cải
thiện khả năng chơng oxy hóa của màng TiN. Cụ thể đã nâng được khả năng chống oxy
hóa lên 750~850 oC mà không làm suy giảm nhiều độ cứng của màng. Theo nhiệt động
học ở trạng thái cân bằng h-AlN hòa tan vào TiN chi vài phân trăm nguyên tử [49]
nhưng khi màng có cấu trúc fcc-TiAlN được chế tạo bằng phương pháp PVD, hàm
lượng Al hòa tan lên đến 67%. Cụ thể, hàm lượng Al hòa tan vào TiN khoảng 40%
trong phương pháp phún xạ và hàm lượng Al hòa tan 60-67% trong phương pháp bốc
bay hồ quang [50]. Khi đó cấu trúc của màng fcc-TiAlN giống với cấu trúc của màng
fcc-TiN cùng với nguyên tử Al phân bô ngẫu nhiên vào vị trí của Ti trong mạng tinh
thể. Màng TiAlN có màu tím đen
Tuy nhiên, khi ngun tố Al được thêm vào quá thấp hoặc quá cao, pha dạng lục
giác xếp chặt hcp-AlN có thể được sinh ra làm giảm độ cứng của màng phủ do độ cứng
của pha hcp-AlN mềm hơn pha fcc-TiAlN. Theo nghiên cứu của Makiko và Miyake
[51], việc thay đổi thông số và công nghệ khi chế tạo màng TiAlN ở cùng một hàm
lượng Al sẽ tạo ra màng có thành phần pha fcc-TiAlN và hcp-AlN khác nhau. Cấu trúc
tinh thể TiAlN được biểu diễn trên Hình 1.8.

Hình 1.8. Cấu trúc tinh thể màng TiAlN [49]

8


Vũ Nguyên Hoàng

1.2.3 Màng CrN
Sự vượt trội của màng CrN so với các loại màng phủ cứng trước nó là khả năng
chống ăn mịn [52, 53], đặc biệt là mơi trường axit Cl, F [54, 55]. Cấu trúc cuả hệ Cr-N
tồn tại 3 pha rắn: ɑ - Cr có dạng lập phương tâm khơi (bcc), CrN có dạng lập phương
tâm mặt (fcc) (Hình 1.9), cịn Cr2N có cấu trúc thuộc hệ sáu phương (lục giác). Điều
này được quyết định bởi điều kiện và phương pháp chế tạo màng. Trong đó, phương
pháp phún xạ magnetron DC được sử dụng phổ biến nhất do có sự bắn phá của ion năng
lượng cao nên màng tạo được có độ bám dính tốt, đồng nhất, độ dày lớp chi vài
micromet. Màng CrN có độ cứng khoảng 20-25 GPa, hệ số ma sát 0,5 với khả năng
chống oxy hóa lên đến ~ 600 oC và có màu xám kim loại [54].

Hình 1.9. Cấu trúc tinh thể màng CrN

1.2.4 Màng AlCrN
Trong những năm cuối của thể kỷ 20, việc đưa nguyên tố nhôm (Al) vào màng CrN
nhằm cải thiện khả năng chống oxy hóa của màng mà không làm ảnh hưởng đến độ
cứng đã được thực hiện. Kết quả cho thấy không chỉ cải thiện được khả năng chống oxy
hóa tới 850~950 oC mà độ cứng cũng tăng ~40% so với màng CrN. Về mặt cấu trúc,
màng AlCrN có dạng lập phương NaCl (B1, fcc-AlCrN) (Hình 1.10) [56].

Hình 1.10. Cấu trúc tinh thể màng AlCrN [56]
9


Vũ Nguyên Hoàng

1.2.5 Màng TiAlCrN
Cũng trong những năm cuối của thế kỷ 20, các nghiên cứu về việc đưa nguyên tố
Crom (Cr) vào màng TiAlN để cải thiện tính chất và tăng phạm vi ứng dụng của màng
phủ đã được công bố với những người đi tiên phong là Donohue [23] và Q.Luo [57].
Nghiên cứu của Donohue thu được màng với một pha Ti0,44Al0.53Cr0.03N duy nhất có
cấu trúc màng B1-NaCl và hằng số mạng ao = 4.17 Ǻ. Màng (Ti,Al,Cr)N được chế với
hàm lượng Al cao (Ti/Al/Cr lần lượt là 14/21/65, 10/19/71, 10/19/71, 8/18/74 %mol)
có cấu trúc tương tự được cơng bố trong nghiên cứu của nhóm K. Yamamoto [24] năm
2003. Những nghiên cứu của nhóm G. Fox-Rabinovich [58, 59] với màng TiAlCrN có
hàm lượng Al cao (Ti/Al/Cr = 1/7/2 %mol) năm 2009 cho thấy lớp phủ có cấu trúc chủ
yếu có dạng lập phương tâm mặt trên cơ sở TiN. Chúng chủ yếu là dung dịch rắn Al-Cr
trong pha TiN. Trong các nghiên cứu với hàm lượng Cr cao [33, 35, 60], màng TiAlCrN
thu được có cấu trúc B1-NaCl nhưng dung dịch rắn xuất hiện ở đây chủ yếu là (Ti,Al)N
và (Al,Cr)N. Từ kết quả của những nghiên cứu trên ta có thể nhận thấy rằng màng
TiAlCrN sẽ có cấu trúc chủ yếu B1-NaCl giống như màng TiAlN tuy nhiên một phần
vị trí của nguyên tử Ti sẽ bị thay thế bởi nguyên tử Cr (Hình 1.11). Điều này có thể
được giải thích do sự tương đồng về bán kính nguyên tử và độ âm điện của nguyên tử
Ti và Cr. Màng TiAlCrN có màu xám đen [61].

Hình 1.11. Cấu trúc tinh thể màng TiAlCrN

1.3 Các phương pháp chế tạo màng phủ nitrua
Ngày nay, có rất nhiều phương pháp chế tạo màng khác nhau từ đơn giản đến phức
tạp. Dựa theo nguyên lý và cách chế tạo màng, người ta chia các phương pháp tạo màng
thành các nhóm chính như trình bày dưới đây.

1.3.1 Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD)
Trong kỹ thuật CVD màng phủ được hình thành dựa trên sự điều khiển trực tiếp
các phản ứng hóa học giữa hợp chất dễ bay hơi của vật liệu cần phủ với hỗn hợp khí,

10


Vũ Nguyên Hoàng

để sinh ra phân tử của vật liệu màng trên đế. Các phản ứng này được kích hoạt bằng
tăng nhiệt độ đế, bằng plasma, bằng photon hoặc hiệu ứng xúc tác trên bề mặt đế. Đặc
điểm của kỹ thuật CVD là nguồn vật liệu phải là các chất lỏng dễ bay hơi, chất rắn hóa
khí bằng hóa học để tạo các phản ứng hóa học bề mặt theo dịng chất lưu ở áp suất khí
quyển hoặc trong chân không thấp. Nhiệt độ đế khá lớn từ 900 oC đến 1200 oC. Với kỹ
thuật CVD có thể tạo được lớp phủ với độ dày đồng đều và ít bị xốp ngay cả đối với
các chi tiết có hình dạng phức tạp. Ngồi ra, kỹ thuật CVD cịn có thể lắng đọng chọn
lọc hoặc lắng đọng giới hạn trong một khu vực nào đó. Tuy nhiên, với kỹ thuật CVD
cần phải cung cấp nhiệt độ đế cao sinh ra sự hư hỏng vì nhiệt làm ảnh hưởng đến cấu
trúc màng, các phản ứng xảy ra trong pha khí có thể tham gia vào cấu trúc màng đang
phát triển, dẫn đến kết quả là màng thu được không tinh khiết như mong muốn và làm
giảm chất lượng màng.
Đặc trưng của phương pháp CVD được phân biệt bởi các phản ứng hóa học trong
q trình lắng đọng. Có bốn loại phản ứng chính, đó là:
 Phản ứng phân hủy: AB (khí) A (rắn) + B (khí).
 Phản ứng khử: có thể xem như phản ứng phân hủy có sự tác động của chất
khí khác.
 Phản ứng vận chuyển hóa học: phương pháp này thường được áp dụng để
chế tạo các vật liệu khó tạo ra pha hơi.
 Phản ứng trùng hợp: quá trình trùng hợp thường được thực hiện nhờ:

Bắn phá điện tử hoặc ion.

Phóng điện.


Xúc tác bề mặt

Chiếu xạ quang, tia X hoặc tia ɣ
Kỹ thuật này được ứng dụng trong công nghệ vi điên tử như chế tạo mạng
cách điện, dẫn điện, lớp chống gỉ, chống oxy hóa.
x

Phương pháp CVD có những ưu điểm chính sau đây:

Hệ thiết bị đơn giản.

Tốc độ lắng đọng cao (đến 1 μm/phút).

Dễ khống chế hợp thức hóa học của hợp chất và dễ dàng pha tạp
chất.

Có khả năng lắng đọng hợp kim nhiều thành phân.

Có thể tạo màng cấu trúc hồn thiện, độ sạch cao.

Đế được xử lý ngay trước khi lắng đọng bằng q trình ăn mịn
hóa học.

Có thể lắng đọng lên đế có cấu hình đa dạng, phức tạp.
11


Vũ Ngun Hồng

x

Nhược điểm chính của phương pháp này là:

Cơ chế phản ứng phức tạp.

Đòi hỏi nhiệt độ đế cao hơn trong các phương pháp khác

Đế và các dụng cụ thiết bị có thể bị ăn mịn bởi các dịng hơi.

Khó tạo hình linh kiện màng mỏng thơng qua kỹ thuật mặt nạ.

1.3.2 Phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý PVD
Lắng đọng pha hơi vật lý là sản phẩm của pha hơi ngưng tụ tạo ra bằng phương
pháp vật lý, sau đó hơi này lắng đọng lên trên bề mặt đế tạo thành màng phủ. Nguồn
bốc bay vật lý thường được sử dụng có thể kể đến như: nguồn điện trở, chùm tia điện
tử hội tụ (Súng điện tử), chùm ion và phún xạ cathode. Các kỹ thuật hóa hơi trên đều
được thực hiện trong nguồn chân không cao (10-6~10-4 Torr) hoặc siêu cao (10-9 Torr).
Phún xạ là kỹ thuật có thể được thực hiện trong mơi trường chân không thấp hơn (10 3
~10-1 Torr) nhưng trước khi đưa khí vào buồng phún xạ, buồng này cũng phải được
hút chân không cao. Nguyên lý cơ bản của tất cả các phương pháp lắng đọng pha hơi
vật lý (PVD) có thể phân chia thành bốn bước sau:
-

Sự chuyển pha từ trạng thái rắn hoặc lỏng sang trạng thái hơi.
Vật liệu bay hơi di chuyển về phía đế.
Vật liệu bay hơi ngưng tụ trên bề mặt của đế.
Hình thành và phát triển màng trên đế.

Các phương pháp tạo màng ứng dụng kỹ thuật PVD chủ yếu gồm: phương pháp
bốc bay chân không, phương pháp phún xạ, phương pháp hồ quang cathode, … Mỗi

một phương pháp đều có sự ưu việt và hạn chế riêng nên đơi khi, người ta có thể kết
hợp các phương pháp chế tạo với nhau để khắc phục và tối ưu khả năng trong quá trình
chế tạo màng.

1.3.2.1 Phương pháp bốc bay chân không
Đây là phương pháp dựa trên lý thuyết về sự bốc bay chân không. Một trong những
khái niệm quan trọng trong lý thuyết này là tốc độ bốc bay. Tốc độ bốc bay được Hertz,
Knudsen và Langmuir – những người đầu tiên đánh giá một cách bán định lượng về tốc
độ bốc bay – định nghĩa như sau: tốc độ bốc bay là đại lượng vật chất mà một vật ở
trạng thái rắn chuyển sang trạng thái hơi trong đơn vị thời gian (1 giây). Lý thuyết bốc
bay đề cập đến các phần chính là động học phản ứng, nhiệt động học và vật lý chất rắn.
Các vấn đề liên quan đến hướng chuyển động của phân tử (nguyên tử) bốc bay được
giải thích thông qua lý thuyết về xác suất của các hiệu ứng trong động học chất khí và
lý thuyết hấp phụ.
12


Vũ Ngun Hồng

Tùy thuộc vào nguồn hóa hơi trong chân không, vào các kỹ thuật tạo ra nguồn bốc
bay khác nhau, chúng ta có thể phân ra các phương pháp như sau:
x Bốc bay nhiệt: đây là phương pháp bốc bay trong chân không sử dụng thuyền
điện trở làm nguồn cung cấp nhiệt. Phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện và hiệu quả
cao. Để thực hiện quá trình bốc bay, chúng ta cần có nguồn bốc bay để chứa vật liệu
bốc bay và cung cấp nhiệt tạo ra áp suất hơi cần thiết để duy trì quá trình bốc bay của
vật liệu.
x Bốc bay trùm điện tử: đặc trưng của phương pháp này là việc sử dụng năng
lượng của chùm điện tử được hội tụ trực tiếp trên vật liệu đế để bốc bay. Khi chùm tia
điện tử năng lượng cao bắn lên từ vật liệu gốc, do bị dừng đột ngột nên toàn bộ động
năng của chùm điện tử được chuyển thành nhiệt năng và hóa hơi vật liệu này.

x Bốc bay laze: là một phương pháp bốc bay gián đoạn. Khi có chùm laze cơng
suất lớn bắn lên bia (vật liệu cần bốc bay) thì pha hơi của vật liệu được hình thành bốc
bay một vùng mỏng của bề mặt bia. Vùng hóa hơi của bia chỉ sâu khoảng vài trăm đến
1000 Ǻ. Khi ấy trên bề mặt hình thành một đốm sang hình khối ellip của pha hơi.
x Epitaxy chùm phân tử (Molecular Beam Epitaxy – MBE): là phương pháp
mọc màng bằng chùm phần tử. MBE cho đến nay đã trở thành khái niệm rất quen thuộc
khơng chỉ trong ngành vật lý mà cịn trong cả các lĩnh vực công nghệ khác. Sau này
người ta phát triển phương pháp MBE thành AL-MBE để chế tạo vật liệu cấu trúc siêu
mạng, vật liệu quang tử cấu trúc nano.
Ưu điểm:
-

Thiết bị chế tạo tương đối đơn giản.
Hiệu suất cao.
Bề mặt ít bị hư tổn.
Màng thu được có chất lượng tương đối tốt.
Bề mặt màng sạch.
Dễ thay đổi vật liệu nguồn.

Nhược điểm:
màng.
-

Màng có độ đồng đều thấp.
Khó tạo trên một mặt phẳng rộng cũng như các đế gồ ghề.
Khó khống chế tốc độ bay hơi nên khó điều chỉnh độ dày chũng như thành phần
Màng không bền, độ bám dính của màng thấp.
Khó chế tạo màng đa lớp.

1.3.2.2 Phương pháp bốc bay hồ quang cathode (Cathodic arc

evaporation)

13