AM2O8(A=Zr,Hf;M=W,Mo)薄膜的制备和负热膨胀性能研究

负热膨胀材料是一种具有特殊性能的新型功能材料，在航空航天、光学、微电子和微机械等领域具有巨大的潜在应用价值，其中AM2O8(A=Zr,Hf；M=W,Mo)系列负热膨胀材料以负热膨胀系数大、响应温度范围宽且具有各向同性等优势而备受关注，目前其相关研究主要集中在该系列材料的陶瓷、粉体和相关复合材料，而关于其薄膜材料的研究报道很少，但其在许多应用领域却有着不可替代的作用与地位。本项目通过制备方法优选，拟采用脉冲激光沉积法制备AM2O8系列薄膜，系统分析薄膜的制备工艺、热处理工艺、成分、结构和性能的关系，建立其生长模型；考察AM2O8系列薄膜与其相应块体材料的负热膨胀性能差异和产生机理；以探寻AM2O8系列薄膜各自的负热膨胀特性、存在规律及其机理为重点研究内容，同时研究该系列薄膜材料相应的力学、光学和介电性能。本项目研究结果可获得一类新型功能薄膜材料，为其今后的应用和研究提供所需的基础理论和依据。

采用固相烧结法制备AM2O8(A=Zr, Hf；M=W, Mo)系列陶瓷靶材，研究了烧结制备工艺对靶材的晶体结构、微观形貌的影响和不同靶材的负热膨胀性能。研究结果表明：在1200℃烧结制备得到结构致密具有良好负热膨胀性能的立方相ZrW2O8和HfW2O8陶瓷靶材。ZrW2O8和HfW2O8陶瓷靶材在室温到600℃的温度区间内平均线性热膨胀系数分别为-10.71×10-6K-1和-11.46×10-6K-1。由于MoO3的高温挥发，在700℃制备得到三方相的ZrMo2O8和HfMo2O8陶瓷靶材。利用自制的陶瓷靶材，采用脉冲激光沉积法制备AM2O8(A=Zr,Hf；M=W,Mo)系列薄膜，研究了脉冲激光沉积过程中的衬底温度、氧偏压等制备工艺参数和后续热处理工艺条件对薄膜晶体结构、沉积速率和微观形貌等的影响，并以所获得结果优化制备技术。研究结果表明：不同衬底温度、氧偏压下制备的薄膜均为非晶态。衬底温度、氧偏压对薄膜表面形貌有影响。非晶膜高温热处理后，制备得到立方相ZrW2O8和HfW2O8薄膜，结晶后薄膜晶粒变大。由于MoO3的高温挥发，仅制备得到三方相的ZrMo2O8和HfMo2O8薄膜。立方相ZrW2O8和HfW2O8薄膜具有良好的负热膨胀特性，在室温到600 ℃的温度区间内平均热膨胀系数分别为-11.378×10-6K-1和-9.33×10-6K-1。在100℃到200℃的温度区间内二种薄膜均存在α相到β相的相转变。为了降低ZrW2O8薄膜的相转变温度，研究制备了ZrW2-xMoxO8(x=0.5, 0.9)靶材和薄膜。Mo离子的掺入可以有效降低ZrW2O8薄膜的相转变温度，但制备的ZrW1.1Mo0.9O8薄膜在400℃左右时会转变为不具备负热膨胀特性的三方相ZrW1.1Mo0.9O8薄膜。利用划痕仪、薄膜应力分布测试仪、紫外分光光度计，纳米压痕仪研究了不同条件下制备薄膜与基片的结合力、薄膜的应力特性、透光率、弹性模量与硬度。为其今后应用奠定基础。文中还探索制备了A2M3O12系列靶材和薄膜的制备工艺和性能。.根据本项目计划书，各项任务现已完成。项目执行期间取得了较好的研究成果，共计发表论文11篇，其中SCI论文7篇,申请专利1项。项目执行期间内，共有1人参加国际会议2次，1人到国外课题组交流访问学习一年。培养硕士5名。超额完成项目计划书中的研究目标。