物理學(xué)對(duì)現(xiàn)代表面技術(shù)的支撐作用

張高會(huì),李 根,徐 鵬,喬憲武,于明州

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院理學(xué)院,浙江杭州310018)

物理學(xué)的發(fā)展傳統(tǒng)上一般分為經(jīng)典物理和近代物理兩個(gè)階段,自愛因斯坦相對(duì)論開始可以認(rèn)為是進(jìn)入了近代物理階段.與近代物理發(fā)展幾乎同步,19世紀(jì)工業(yè)革命后現(xiàn)代表面技術(shù)開始迅速發(fā)展,不僅在學(xué)術(shù)上豐富了材料科學(xué)、冶金學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、化學(xué)等學(xué)科,而且促進(jìn)了新材料、光電子、微電子等諸多先進(jìn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,成為了國(guó)際性的關(guān)鍵技術(shù)之一[1].

現(xiàn)代材料表面處理技術(shù)在20世紀(jì)80年代被國(guó)際科技界譽(yù)為最具發(fā)展前途的十大技術(shù)之一[2]一位著名的科學(xué)家曾經(jīng)說(shuō)過:20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是以物理學(xué)的發(fā)展為基礎(chǔ)的.這樣的觀點(diǎn)早已被諸多事實(shí)所證明,無(wú)論是高科技要求的航空航天領(lǐng)域,還是與民生密切相關(guān)的醫(yī)療行業(yè)、汽車行業(yè),等等,均是如此.更不要說(shuō)還有電子行業(yè)、信息行業(yè)、甚至包括體育等行業(yè).表面處理作為材料科學(xué)進(jìn)步的一個(gè)分支,其顯著進(jìn)步也是與物理學(xué)的進(jìn)步密切相關(guān),毫不夸張地講,沒有物理學(xué)的進(jìn)步就沒有表面技術(shù)的進(jìn)步.20世紀(jì)60年代到80年代,等離子體、電子束、激光束、微波、超音速火焰、超高真空等科學(xué)技術(shù)的成果逐步引入到表面處理技術(shù)領(lǐng)域,各種機(jī)械、裝飾、特殊功能的薄膜及各種先進(jìn)涂層,已把材料表面改造成具有人們期望的各種功能,其應(yīng)用遍及各個(gè)領(lǐng)域.

材料表面技術(shù)包括表面處理技術(shù)和表面分析技術(shù).表面處理技術(shù)是指通過表面處理改變材料表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài),以獲得所需表面性能.表面處理技術(shù)作為一門新興的邊緣性學(xué)科和使用價(jià)值極高的基礎(chǔ)技術(shù),其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣,使用價(jià)值越來(lái)越高,對(duì)材料科學(xué)的進(jìn)步起到了越來(lái)越多的推動(dòng)作用[3].物理學(xué)的進(jìn)步對(duì)表面處理技術(shù)的進(jìn)步起到了至關(guān)重要的作用;表面分析技術(shù)作為材料科學(xué)進(jìn)步的非常重要的支撐條件,物理學(xué)知識(shí)在分析技術(shù)中的廣泛應(yīng)用對(duì)分析技術(shù)本身的進(jìn)步也起著決定性的作用.下面從表面處理技術(shù)和表面分析技術(shù)等方面具體闡述物理學(xué)對(duì)表面技術(shù)發(fā)展的重要推動(dòng)作用.

1 物理學(xué)的進(jìn)步

物理學(xué)是一門古老的基礎(chǔ)學(xué)科,從古典物理(16世紀(jì)以前)到經(jīng)典物理(16世紀(jì)到19世紀(jì)),再到近代物理(20世紀(jì)至今),物理學(xué)的每一個(gè)重大發(fā)展和革命性進(jìn)步都對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用.自1900年到1927年的量子力學(xué)形成是近代物理的第一階段,1927年以后的發(fā)展是以量子力學(xué)和相對(duì)論為基礎(chǔ)的近代發(fā)展階段.在這一階段誕生了愛因斯坦、薛定諤、普朗克、德布羅伊、狄拉克等一批科學(xué)家,發(fā)現(xiàn)高速領(lǐng)域和微觀領(lǐng)域的新的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,揭示了微觀世界中的波動(dòng)性和微粒性,連續(xù)性和間斷性的規(guī)律;產(chǎn)生了原子核物理學(xué)、粒子物理學(xué)、量子統(tǒng)計(jì)物理學(xué)等理論,成為一個(gè)龐大的學(xué)科群.人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)達(dá)到了一個(gè)空前的高度.同時(shí),物理學(xué)也向其它學(xué)科推進(jìn),產(chǎn)生了一些邊沿學(xué)科,為現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步產(chǎn)生了新思路和新方法,促進(jìn)了原子能、計(jì)算機(jī)、航天、激光、超導(dǎo)、納米等領(lǐng)域的飛速發(fā)展[4-6].

概括起來(lái),20世紀(jì)物理學(xué)的進(jìn)步是以量子力學(xué)的發(fā)展為前提的,薛定諤的《什么是生命》指出生命的秘密可以用量子力學(xué)來(lái)解釋,秘密就在細(xì)胞的量子密碼上.1960年邁曼發(fā)明的激光也是以原子的量子結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的.近幾年隨著光子的量子糾纏理論的發(fā)展,信息科學(xué)量子計(jì)算機(jī)都有了質(zhì)的飛躍.

2 物理學(xué)對(duì)表面處理技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)作用

2.1 真空技術(shù)

真空,作為現(xiàn)代表面處理技術(shù)中的一個(gè)非常重要的技術(shù)條件,對(duì)材料表面處理起到了決定性的作用.真空度一般可以定性地分為低真空(105～102Pa)、中真空(102～10-1Pa)、高真空(10-1～10-5Pa)、超高真空(＜10-5Pa)(GB/T 3163-93),真空度的高低決定著磁控濺射、離子濺射、電子濺射等表面處理技術(shù)是否能夠順利進(jìn)行.真空條件保證了諸如真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍、PVD等表面技術(shù)的實(shí)施.真空的獲得方式主要通過機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、分子泵的工作而獲得.作為真空系統(tǒng)前級(jí)泵的機(jī)械真空泵,正是利用了物理上的離心力和壓強(qiáng)差,使氣體不斷地吸入和排出,借以達(dá)到抽氣的目的.擴(kuò)散泵則是在前級(jí)真空泵所造成的低真空條件下,利用氣體分子的擴(kuò)散原理,以極高速度從泵的各級(jí)噴口的縫隙噴出硅油蒸汽,使容器內(nèi)部的氣體分子擴(kuò)散到蒸汽中被帶到前級(jí)真空泵所能作用的位置,由前級(jí)真空泵迅速抽出,使系統(tǒng)達(dá)到高真空的要求[7].也可以說(shuō)擴(kuò)散泵的產(chǎn)生是依賴于物理學(xué)中分子動(dòng)力學(xué)的發(fā)展而產(chǎn)生的;目前使用較多的、獲得高真空與超高真空的分子泵,則是在分子流區(qū)域內(nèi)依靠高速運(yùn)動(dòng)的剛體表面?zhèn)鬟f給氣體分子以動(dòng)量,使氣體分子在剛體表面的運(yùn)動(dòng)方向上產(chǎn)生定向流動(dòng),從而達(dá)到抽氣的目的.這里動(dòng)量、剛體、運(yùn)動(dòng)均是物理語(yǔ)言.正是物理動(dòng)力學(xué)、氣體擴(kuò)散理論的進(jìn)步推動(dòng)了真空技術(shù)的不斷進(jìn)步.

2.2 控制技術(shù)

電磁學(xué)從原來(lái)互相獨(dú)立的兩方面(電學(xué)、磁學(xué))發(fā)展成為物理學(xué)中一個(gè)完整的分支學(xué)科,是基于兩個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),即電流的磁效應(yīng)和變化的磁場(chǎng)的電效應(yīng).這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,加上麥克斯韋關(guān)于變化電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的假設(shè),奠定了電磁學(xué)的整個(gè)理論體系的完整性.電磁學(xué)在現(xiàn)代表面技術(shù)中幾乎無(wú)處不在.

2.2.1 電鍍作為應(yīng)用最廣泛的表面處理技術(shù),不言而喻,“電”在電鍍中起著非常重要的作用.電鍍的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移,基本過程是金屬原子在陽(yáng)極失去電子,陽(yáng)極:Μ-ne→Μn+;金屬離子在陰極附近得到電子,陰極:Μn++ne→Μ,離子還原為原子沉積在工件表面的過程.其原理示意圖如圖1,控制電流就是控制電子的轉(zhuǎn)移.利用電流、電壓的大小來(lái)控制電鍍工藝,從而達(dá)到控制電鍍品質(zhì)是電鍍的基本制度[8].

圖1 電鍍?cè)硎疽鈭DFigure 1 Principle schematic diagram of electroplate

2.2.3 磁控濺射作為一種十分有效的薄膜沉積方法,被廣泛成功地應(yīng)用于許多領(lǐng)域,特別是微電子、光學(xué)薄膜和材料表面處理.磁控濺射系統(tǒng)是由基本的二極濺射系統(tǒng)發(fā)展而來(lái),磁控濺射系統(tǒng)在陰極靶材的背后放置100～1000 Gauss強(qiáng)力磁鐵,如圖2[9],真空室充入01～10 Pa壓力的惰性氣體(Ar),作為氣體放電的載體.在高壓作用下Ar原子電離成為Ar+離子和電子,產(chǎn)生等離子輝光放電,電子在加速飛向基片的過程中[10,11],受到垂直于電場(chǎng)的磁場(chǎng)影響,使電子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi),電子以擺線的方式沿著靶表面前進(jìn),在運(yùn)動(dòng)過程中不斷與Ar原子發(fā)生碰撞,電離出大量的Ar+離子.與沒有磁控管的結(jié)構(gòu)的濺射相比,離化率迅速,解決了二極濺射鍍膜速度比蒸鍍慢、等離子體的離化率低和基片的熱效應(yīng)明顯的問題.其根本原理是在陰極表面上方形成了一個(gè)交互電磁場(chǎng)(即利用磁約束原理,使磁場(chǎng)與電場(chǎng)正交,磁場(chǎng)方向與陰極表面平行).濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位降區(qū)被加速為高能電子后,并不能直接飛向陽(yáng)極,而是在正交電磁場(chǎng)作用下來(lái)回振蕩,并不斷地與氣體分子發(fā)生碰撞,把能量傳遞給氣體分子,使之電離.這些問題的解決大大提高了離化率,改善了沉積效果.后期發(fā)展的射頻濺射、脈沖濺射和中頻濺射無(wú)一不是依賴于物理學(xué)中電磁理論而生的.可以肯定地講,如果沒有物理電磁學(xué)的進(jìn)步,也就不會(huì)有磁控濺射的產(chǎn)生.

圖2 磁控濺射靶原理圖Figure 2 Schematic diagram of magnetic control sputtering target

2.2.4 熱噴涂是利用某種熱源將粉末狀或絲狀的金屬或非金屬材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài),然后借助焰流本身或壓縮空氣以一定速度噴射到預(yù)處理過的基體表面,沉積而形成具有各種功能的表面涂層的一種技術(shù)[12,13].如圖3,是一種表面強(qiáng)化技術(shù),是表面工程技術(shù)的重要組成部分.熱噴涂的熱源有氧-乙炔焰、電弧、等離子弧、爆炸波等提供不同熱源的噴涂裝置,產(chǎn)生高溫高壓焰流或超音速焰流,將要制成涂層的材料如各種金屬、陶瓷、金屬加陶瓷的復(fù)合材料、各種塑料粉末的固態(tài)噴涂材料,瞬間加熱到塑態(tài)或熔融態(tài),高速噴涂到經(jīng)過預(yù)處理(清潔粗糙)的零部件表面形成涂層的一種表面加工方法.我們把特殊的工作表面叫“涂層”,把制造涂層的工作方法叫“熱噴涂”,它是采用各種熱源進(jìn)行噴涂和噴焊的總稱.根據(jù)加熱方式的不同分別有電火化噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、激光噴涂等,根據(jù)能量的大小有超音速噴涂等.熱噴涂的主要原理部分進(jìn)步?jīng)Q定于物理學(xué)理論的進(jìn)步.

圖3 噴涂過程示意圖Figure 3 Schematic diagram of therma spray

2.3 等離子體技術(shù)

對(duì)氣體來(lái)講,如果溫度不斷升高,氣體又會(huì)怎樣變化呢？物理學(xué)家告訴我們,這時(shí)構(gòu)成分子的原子發(fā)生分裂,形成為獨(dú)立的原子,如氮分子會(huì)分裂成兩個(gè)氮原子,這種過程為氣體分子的離解.如果再進(jìn)一步升高溫度,原子中的電子就會(huì)從原子中剝離出來(lái),成為帶正電荷的原子核和帶負(fù)電荷的電子,這個(gè)過程稱為原子的電離.當(dāng)這種電離過程頻繁發(fā)生,使電子和離子的濃度達(dá)到一定的數(shù)值時(shí),物質(zhì)的狀態(tài)也就起了根本的變化,我們稱為等離子態(tài),伴隨著等離子體的發(fā)展,出現(xiàn)了離子濺射,離子鍍等現(xiàn)代表面處理技術(shù).

等離子體用于表面膜的沉積方面的技術(shù)有多層膜沉積、等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積(PACVD or PAPVD)、等離子體磁控濺射沉積等[14].

脈沖等離子體表面改性技術(shù)在20世紀(jì)80年代開始被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué),相比于脈沖電子束、脈沖激光束等離子體不僅可以在室溫下把高能量傳遞給材料.同時(shí)在材料表面注入大量離子[15].

隨著等離子理論的逐漸完善,其在表面技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用也越發(fā)廣泛,給表面技術(shù)帶來(lái)了革命性的發(fā)展.

2.4 激光技術(shù)

激光作為近代物理學(xué)進(jìn)步的一個(gè)主要內(nèi)容是20世紀(jì)以來(lái),繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后人類的又一重大發(fā)明.激光的原意是受激發(fā)射實(shí)現(xiàn)光放大,受激發(fā)射是愛因斯坦1917年提出來(lái)的.激光以其高亮度、高方向性和高單色性,自出現(xiàn)就成功應(yīng)用于測(cè)距、通信、核聚變、醫(yī)學(xué)上,并被應(yīng)用于表面處理技術(shù)的許多方面.作為原子物理能級(jí)躍遷理論的重要應(yīng)用,激光可用于改變表面表層的成分和顯微結(jié)構(gòu),因而表面技術(shù)又有了一種行之有效的處理方式——激光表面處理,包括激光相變硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化和激光沖擊硬化等技術(shù)[16-19].

激光燒蝕是利用了激光高方向性的特點(diǎn),可在材料表面精確加工;激光涂覆、激光淬火、激光表面非晶態(tài)處理等是利用了激光高亮度,中心溫度高的特點(diǎn);高單色性特點(diǎn)也成功應(yīng)用于刻蝕等方面.作為熱噴涂的一種模式,激光噴涂技術(shù)是應(yīng)用了物理學(xué)中激光能量高、方向性好的特點(diǎn),把激光作為一種加熱方式,可以迅速地將噴鍍材料加熱至所需狀態(tài),提高噴涂效率.

正是在原子物理和光學(xué)的推動(dòng)下,表面處理技術(shù)朝著高質(zhì)量、高效率、低能耗、低成本的方向不斷前進(jìn).

綜上所述,物理學(xué)對(duì)表面處理技術(shù)的發(fā)展起到了舉足輕重的推動(dòng)作用,力、熱、聲、光、電無(wú)一不在表面處理技術(shù)進(jìn)步中起著非常重要的作用.

3 物理學(xué)對(duì)表面分析技術(shù)的推動(dòng)作用

3.1 顯微技術(shù)

3.2 小角度X射線分析技術(shù)

在材料分析中使用最普遍最頻繁的便是X射線分析技術(shù)了.大家都知道X射線的誕生是物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)的,X射線是一種波長(zhǎng)很短的電磁輻射,其波長(zhǎng)約為(20～0.06)×10-8cm.X射線具有很高的穿透本領(lǐng),約為十幾微米量級(jí),X射線自誕生以來(lái)為生命科學(xué)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)[24].它在材料學(xué)科領(lǐng)域中的應(yīng)用也是非常普遍.X射線衍射分析(XRD)是建立在較大的穿透深度下材料統(tǒng)計(jì)平均基礎(chǔ)上的,探測(cè)的是材料的體信息.

但一般的X射線衍射分析對(duì)材料的表面和表層(1～100 nm)不敏感,來(lái)自表面或表層的微弱信號(hào)都掩埋在體結(jié)構(gòu)的巨大信號(hào)之中.

4 結(jié) 語(yǔ)

表面技術(shù)是一門集物理、化學(xué)、材料等學(xué)科的交叉學(xué)科技術(shù),實(shí)用價(jià)值極高.除了材料科學(xué)以外涉及的領(lǐng)域有物理、化學(xué)、生命學(xué)科等領(lǐng)域.材料科學(xué)所面臨的若干關(guān)于材料方面的問題,如材料硬度、脆性、韌性、耐蝕性、耐磨性等,均需要通過表面技術(shù)來(lái)解決.限于篇幅的限制,上述只是從幾個(gè)很小的方面論述了物理學(xué)的進(jìn)步對(duì)表面技術(shù)的推動(dòng)作用,還有許許多多的方面沒有涉及到,尤其是近代物理學(xué)的進(jìn)步對(duì)表面技術(shù)的推動(dòng)作用還沒有體現(xiàn).物理學(xué)的進(jìn)步自始至終都對(duì)表面技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用.隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的日益進(jìn)步,各種極端條件的不斷出現(xiàn),對(duì)材料表面提出了更高的要求,也必將會(huì)對(duì)材料表面處理提出更高的要求.材料的表面性能將直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量水平,也就需要有新的表面處理技術(shù)以及分析技術(shù)與之相適應(yīng),這樣的新技術(shù)必將離不開物理學(xué)進(jìn)步的影響,物理學(xué)仍將在表面處理技術(shù)中起到關(guān)鍵性的作用.我們應(yīng)當(dāng)多多關(guān)注物理學(xué)的前沿和理論的進(jìn)步,并靈活地與現(xiàn)代表面技術(shù)相結(jié)合,比如量子力學(xué)的發(fā)展,產(chǎn)生更多的好的表面處理技術(shù)賦予材料更好的性能.縱觀電磁交互、等離子體、激光、電子顯微技術(shù)、X射線衍射分析等推動(dòng)表面技術(shù)進(jìn)步的核心技術(shù),歸根結(jié)底都可以用量子力學(xué)的理論來(lái)解釋.如果可以將量子力學(xué)的新理論同表面技術(shù)巧妙地結(jié)合起來(lái),那么勢(shì)必取得革命性的成果.

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