銀制品易變色、硬度低，傳統(tǒng)表面防護方法存在覆膜不均、缺陷多、結合力弱等問題。原子層沉積（ALD）技術可實現(xiàn)均勻、可控的氧化鋁（Al?O?）薄膜，但膜厚過薄缺陷多、過厚影響外觀（色差）。Flexfilm費曼儀器全光譜橢偏儀可以非接觸對薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應用于薄膜材料、半導體和表面科學等領域。

本文采用ALD在拋光925銀表面制備不同厚度Al?O?薄膜，利用橢圓偏振光譜儀（橢偏儀）精確測厚，研究膜厚與色差的關系，并評估薄膜的疏水、耐腐蝕及機械性能。

1

實驗與方法

flexfilm

拋光夾具及氧化鋁膜層表面形貌

樣品制備：在T150型ALD設備上，基底溫度150 ℃，前驅體為三甲基鋁（TMA）和水（H?O），工藝參數(shù)：TMA脈沖25 ms/吹掃20 s，H?O脈沖30 ms/吹掃20 s。925銀基底經逐級研磨、拋光（金剛石拋光劑粒度0.25 μm）后超聲清洗、氮氣吹干。同時在N(100)硅片上同步沉積Al?O?薄膜，用于厚度與形貌表征。

表征方法：原子力顯微鏡測得表面輪廓算術平均偏差Ra=0.28 nm；膜厚由Flexfilm費曼儀器全光譜橢偏儀測量；采用TFCalc軟件模擬膜厚-色差關系；通過接觸角、摩擦磨損、納米壓痕/劃痕、顯微硬度及0.1 mol/L Na?S溶液加速腐蝕實驗分別評價疏水性、耐磨性、力學性能和耐腐蝕性。

2

膜厚與色差

flexfilm

保護膜厚度與色差的關系

TFCalc模擬表明，色差（ΔE）與膜厚呈非線性關系。膜厚104~137 nm時ΔE小于人眼臨界值2.5，且在125 nm附近出現(xiàn)極小值。橢偏儀實測厚度與色差變化趨勢與模擬一致，因此選定125 nm為最佳膜厚。

3

接觸角

flexfilm

鍍膜前后的接觸角

拋光925銀接觸角77.7°，沉積125nm Al?O?后降至58.1°（親水），歸因于Al?O?高表面能及表面羥基化。暴露空氣30d后增至72.8°，原因是有機污染物吸附及–OH基團脫水形成Al–O–Al鍵。表明Al?O?膜未能有效提升銀表面疏水性。

4

耐磨性

flexfilm

鍍膜前后的摩擦系數(shù)及磨痕形貌

摩擦磨損測試（60mN，Al?O?球對磨）顯示：未鍍膜銀磨痕寬≈34 μm，鍍膜后≈45 μm（理論最大深度84.4 nm＜125 nm）。磨痕中心呈蜂窩狀，邊緣有裂紋。未鍍膜銀摩擦系數(shù)先升后降，130 s后趨穩(wěn)；鍍膜后摩擦系數(shù)整體升高，86 s時突變加劇，保護膜失效。失效機制為應力集中、熱應力、軟基底塑性變形誘發(fā)微裂紋擴展，最終剝落。

5

納米壓痕及劃痕

flexfilm

載荷位移曲線

劃痕測試圖

納米壓痕測試：壓入深度<14 nm時硬度隨深度增加，14 nm處達最大值8 GPa（接近Al?O?真實硬度）；超過14 nm后基底效應增強，硬度下降。20~80 nm出現(xiàn)“突跳”，可能因膜開裂。銀基底最大硬度1.45 GPa。鍍膜后復合硬度為基底的5.5倍。最大載荷845 μN時，鍍膜與未鍍膜樣品的最大壓入深度分別為123 nm和161 nm，殘余位移比0.8和0.9，表明Al?O?膜支撐銀基底但限制其彈性恢復。

納米劃痕測試：法向載荷增至488μN、劃痕深度122nm時，切向載荷驟降后回升，表明保護膜完全剝落。

6

顯微硬度

flexfilm

鍍膜前后壓痕形貌

顯微硬度測試（2.94N，10s）顯示，鍍膜前后壓痕對角線長度相同，硬度均為87 HV?.?，即125nm Al?O?膜未能提高高載荷下的顯微硬度。鍍膜樣品壓痕處產生裂紋（對角線處最寬）及巴氏裂紋，而未鍍膜銀表面光滑。

壓痕不同位置處的EDS測試

EDS分析表明裂紋處Al、O含量隨裂紋寬度增加而升高，并檢出S元素，說明膜破裂后銀被腐蝕生成硫化物。

7

耐腐蝕性能

flexfilm

腐蝕時間與色差、膜厚去除量的關系及局部腐蝕區(qū)域

沉積 Al2O3保護膜的 925 銀在硫化鈉溶液中腐蝕機理

0.1mol/L Na?S溶液加速腐蝕實驗：40min內ΔE變化趨勢與膜厚-色差關系一致，且橢偏儀測得硅片上Al?O?膜累計去除厚度隨腐蝕時間增加，表明ΔE變化主要源于膜層減薄而非銀基底腐蝕，保護膜耐蝕優(yōu)異。超過45min后，ΔE未按預期下降反而持續(xù)增大，表面出現(xiàn)島狀腐蝕區(qū)域。機理為：膜層減薄導致缺陷暴露，硫離子擴散至Al?O? / Ag界面，與銀反應生成灰黑色Ag?S，形成局部腐蝕區(qū)，最終保護膜完全去除后發(fā)生全面腐蝕。

本研究利用橢偏儀精確測量了原子層沉積氧化鋁(Al?O?)薄膜的厚度，成功解決了銀制品保護中外觀與性能的平衡問題。橢偏儀數(shù)據(jù)表明，當膜厚為125 nm時，色差(ΔE)出現(xiàn)極小值，既不影響外觀，又為基底提供了有效保護。此外，通過橢偏儀對腐蝕過程中膜厚變化的動態(tài)監(jiān)測，揭示了保護膜的失效機理：前期為均勻減薄，后期因膜層變薄、缺陷暴露而引發(fā)局部腐蝕。綜上，橢偏儀在光學薄膜領域，為優(yōu)化ALD工藝參數(shù)、評估防護性能及闡明失效機制提供了關鍵的數(shù)據(jù)支撐。

Flexfilm費曼儀器全光譜橢偏儀

flexfilm

Flexfilm費曼儀器全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領域中單層或多層納米薄膜的層構參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進的旋轉補償器測量技術：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進的光能量增強技術，高信噪比的探測技術。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達0.05nm。

Flexfilm費曼儀器全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結合費曼儀器全流程薄膜測量技術，助力半導體薄膜材料領域的高質量發(fā)展。

原文參考：《銀制品表面氧化鋁保護膜的機械與耐腐蝕性能》

*特別聲明：本公眾號所發(fā)布的原創(chuàng)及轉載文章，僅用于學術分享和傳遞行業(yè)相關信息。未經授權，不得抄襲、篡改、引用、轉載等侵犯本公眾號相關權益的行為。內容僅供參考，如涉及版權問題，敬請聯(lián)系，我們將在第一時間核實并處理。