陳成克,姜從強(qiáng),蔣梅燕,李 曉,魯少華,胡曉君

(浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)

TaC是一種過(guò)渡金屬碳化物,具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能,例如高硬度(莫氏硬度9～10)、高熔點(diǎn)(約3 880 ℃)、良好的導(dǎo)電性(25 ℃,42.1 μΩ·cm)和抗震性、較好的耐化學(xué)腐蝕性以及較高的抗氧化性等,具有廣泛的應(yīng)用前景。目前TaC涂層的制備方法主要有溶膠-凝膠法[1-2]、機(jī)械合金化法[3-4]、自蔓延反應(yīng)法[5-6]、液相前驅(qū)體法[7]和化學(xué)氣相沉積(Chemical vapor deposition,CVD)法[8-10]等。這些制備方法過(guò)程復(fù)雜,如溶膠-凝膠法要經(jīng)過(guò)配溶膠、浸漬、涂覆、干燥、凝膠化和燒結(jié)等工藝過(guò)程,制備的涂層多孔疏松;自蔓延反應(yīng)法和液相前驅(qū)體法,原料和前驅(qū)體的制備都是復(fù)雜的;化學(xué)氣相沉積(CVD)法一般使用TaCl5(升華為氣態(tài))作為鉭源,C3H6作為碳源,H2作為還原劑,Ar作為運(yùn)輸氣體和稀釋氣體制備TaC,該方法現(xiàn)有裝置能提供的最高溫度為1 400 ℃,反應(yīng)溫度的局限性會(huì)引起沉積表面的游離碳堆積,導(dǎo)致碳化鉭涂層偏離化學(xué)計(jì)量比,涂層致密度低[10-11],另外,除了使用C3H6作為碳源外,有研究者還使用石墨作為碳源,TaCl5作為鉭源,來(lái)制備TaC[11];化學(xué)氣相沉積方法通常是通過(guò)外加鉭源和碳源進(jìn)行多步化學(xué)反應(yīng)。這些方法普遍存在制備步驟繁瑣且制備裝置不易操作等問(wèn)題。

在熱絲化學(xué)氣相沉積(Hot filament chemical vapor deposition,HFCVD)設(shè)備中,利用鉭絲作為熱源和鉭源,通過(guò)鉭絲加熱蒸發(fā)出的Ta沉積在石墨襯底上,在較低襯底溫度(800～1 000 ℃)下,Ta與C一步反應(yīng),直接制備得到TaC納米顆粒,并通過(guò)調(diào)整熱絲功率,系統(tǒng)研究了熱絲功率與TaC納米顆粒結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用的石墨片由北京晶龍?zhí)靥伎萍加邢薰旧a(chǎn),尺寸為10 mm×10 mm×2 mm,純度為99.9%;加熱鉭絲由中諾新材(北京)科技有限公司生產(chǎn),直徑為0.7 mm,純度為99.95%。實(shí)驗(yàn)前,對(duì)石墨片進(jìn)行預(yù)處理,采用2 000目和4 000目砂紙先后打磨石墨片表面直至平整,用拋光布對(duì)其表面進(jìn)行拋光處理,乙醇超聲清洗15 min,去離子水洗去殘余的乙醇,氮?dú)獯蹈珊蟠谩?/p>

1.2 材料制備方法

實(shí)驗(yàn)所用的HFCVD設(shè)備由上海交友鉆石涂層公司生產(chǎn),型號(hào)為JUHFCVD001。

首先對(duì)鉭絲進(jìn)行碳化處理,目的是延長(zhǎng)鉭絲使用壽命,具體碳化步驟:1) 鉭絲安裝,在HFCVD設(shè)備中,安裝鉭絲距石墨片表面5 mm;2) 通入碳化氣體,將流量為200 sccm的純氫氣和流量為80 sccm丙酮通入腔體內(nèi),控制腔體壓力為5.3～6 kPa,其中丙酮以氫氣鼓泡的形式進(jìn)入反應(yīng)室中;3) 設(shè)定碳化電壓和時(shí)間,電壓7 V碳化8 min,12 V碳化7 min,15 V碳化3 min;4) 碳化結(jié)束后,停止通入丙酮,在氫氣氣氛中迅速降低功率至0,完成鉭絲碳化過(guò)程。

然后制備TaC納米顆粒,具體制備步驟:1) 放置石墨襯底,將預(yù)處理后的石墨片作為襯底材料放入鉭絲碳化后的HFCVD設(shè)備中;2) 調(diào)整腔體壓力和鉭絲功率,將流量為200 sccm的純氫氣通入腔體內(nèi),控制腔體壓力為3.5 kPa,調(diào)整鉭絲功率分別為1 600,1 800,2 000,2 200,2 400 W;3) 實(shí)驗(yàn)1 h后,在氫氣氣氛中以1 V/min的速度降低功率至0,結(jié)束TaC納米顆粒制備實(shí)驗(yàn)。

1.3 材料表征方法

樣品的表面形貌采用美國(guó)FEI公司的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(型號(hào)為Nova Nano 450)進(jìn)行觀察;樣品表面的相成分采用雷尼紹公司的顯微共焦激光拉曼光譜(波長(zhǎng)532 nm的可見光,型號(hào)Raman HR-800)進(jìn)行表征;樣品表面的微結(jié)構(gòu)和能譜數(shù)據(jù)采用美國(guó)FEI公司的高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM,型號(hào)為TalosS-FEG)進(jìn)行檢測(cè)。

用透射電子顯微鏡拍攝樣品制備,首先用清潔的刀片來(lái)回刮樣品表面,將刮取的少量粉末置于試管中;然后向試管內(nèi)加入少量無(wú)水乙醇,超聲振蕩分散,毛細(xì)管吸取溶液滴在銅網(wǎng)上;最后用紅外燈進(jìn)行烘干,上述滴液與烘干步驟反復(fù)幾次,制備得到TEM樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 掃描電鏡分析

本征石墨和實(shí)驗(yàn)后樣品的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(Field emission scanning electron microscope,FESEM)照片如圖1所示。圖1(a)顯示了預(yù)處理后的本征石墨的表面形貌,預(yù)處理后的石墨片表面十分平整,可與實(shí)驗(yàn)后樣品的表面形貌形成鮮明對(duì)比。圖1(b)顯示了1 600 W熱絲功率實(shí)驗(yàn)后樣品(簡(jiǎn)稱1 600 W樣品)的表面形貌,該樣品表面生成的納米顆粒不致密,顆粒尺寸小,約為14 nm。圖1(c)顯示了1 800 W熱絲功率實(shí)驗(yàn)后樣品(簡(jiǎn)稱1 800 W樣品)的表面形貌,該樣品表面生成的納米顆粒較1 600 W樣品開始變得致密,顆粒尺寸也增大到20 nm,但顆粒形貌并不規(guī)則。圖1(d)顯示了2 000 W熱絲功率實(shí)驗(yàn)后樣品(簡(jiǎn)稱2 000 W樣品)的表面形貌,該樣品表面生成致密且不規(guī)則的納米顆粒,顆粒尺寸緩慢增大到25 nm,顆粒尺寸大小均勻。圖1(e)顯示了2 200 W熱絲功率實(shí)驗(yàn)后樣品(簡(jiǎn)稱2 200 W樣品)的表面形貌,該樣品表面生成致密納米顆粒,顆粒尺寸大小不均勻,最小尺寸約為26 nm,呈現(xiàn)不規(guī)則形狀;最大尺寸約為63 nm,雖然呈現(xiàn)規(guī)則的四邊形形狀,但是大尺寸的納米顆粒數(shù)量很少。圖1(f)顯示了2 400 W熱絲功率實(shí)驗(yàn)后樣品(簡(jiǎn)稱2 400 W樣品)的表面形貌,該樣品表面生成致密且較為規(guī)則的納米顆粒,顆粒尺寸約為35 nm,顆粒尺寸大小均勻。FESEM結(jié)果表明:隨著熱絲功率從1 600 W逐步增加到2 400 W,納米顆粒尺寸緩慢增大到35 nm,顆粒大小更加均勻且形貌變得更加規(guī)則,最終可以獲得由規(guī)則納米顆粒組成的致密涂層。

圖1 本征石墨和不同熱絲功率樣品的FESEM圖片F(xiàn)ig.1 FESEM images of intrinsic graphite and different hot filament power samples

2.2 Raman光譜分析

采用波長(zhǎng)為532 nm的可見光Raman光譜對(duì)樣品進(jìn)行了相成分分析,如圖2所示。圖2中譜線1為本征石墨的Raman譜線,顯示了1 350,1 583,1 624,2 694,2 948 cm-1這5個(gè)Raman峰,其中1 350,1 624 cm-1峰屬于石墨的一級(jí)Raman峰,1 350 cm-1被稱作D峰[12-13],1 624 cm-1被稱作D′峰[14],為1 583 cm-1峰附近的高頻分量;1 583 cm-1被稱作G峰[12];2 694,2 948 cm-1分別為2D峰和D+D′峰[15,16],都屬于石墨的二級(jí)Raman峰。圖2中譜線2為1 600 W樣品的Raman譜線,顯示了石墨的1 350 cm-1(D峰)、1 583 cm-1(G峰)、1 624 cm-1(D′峰)、2 694 cm-1(2D峰)和2 948 cm-1(D+D′峰)這5個(gè)拉曼特征峰,與本征石墨的5個(gè)Raman特征峰進(jìn)行對(duì)比,1 600 W樣品中的石墨特征峰的強(qiáng)度并未發(fā)生太大變化,除了上述5個(gè)石墨特征峰,該樣品在2 437 cm-1位置出現(xiàn)新的峰信號(hào),該峰也被認(rèn)為是石墨的二級(jí)Raman散射峰信號(hào)[13]。圖2中譜線3為1 800 W樣品的Raman譜線,在630 cm-1和780 cm-1位置發(fā)現(xiàn)了較弱的TaC特征峰[17-18],該樣品中還存在石墨的1 350 cm-1(D峰)、1 583 cm-1(G峰)、1 624 cm-1(D′峰)、2 694 cm-1(2D峰)、2 948 cm-1(D+D′峰)和2 437 cm-1這6個(gè)Raman特征峰,與本征石墨的Raman特征峰進(jìn)行對(duì)比,1 800 W樣品中的石墨特征峰的強(qiáng)度大幅降低,表明此時(shí)石墨基底表面的sp2C可能被Ta大量消耗形成TaC相。圖2中譜線4為2 000 W樣品的Raman譜線,顯示了石墨的1 350 cm-1(D峰)、1 583 cm-1(G峰)、1 624 cm-1(D′峰)、2 694 cm-1(2D峰)、2 948 cm-1(D+D′峰)和2 437 cm-1這6個(gè)拉曼特征峰,其中2 437 cm-1峰在所有樣品中峰信號(hào)最強(qiáng),與本征石墨的Raman特征峰進(jìn)行對(duì)比,2 000 W樣品中的石墨特征峰的強(qiáng)度也大幅降低,表明此時(shí)石墨基底表面的sp2C可能被Ta大量消耗形成TaC相。圖2中譜線5為2 200 W樣品的Raman譜線,在630 cm-1和780 cm-1位置發(fā)現(xiàn)了較弱的TaC特征峰,該樣品中還存在石墨的1 350 cm-1(D峰)、1 583 cm-1(G峰)、1 624 cm-1(D′峰)、2 694 cm-1(2D峰)、2 948 cm-1(D+D′峰)和2 437 cm-1這6個(gè)Raman特征峰,與本征石墨的Raman特征峰進(jìn)行對(duì)比,2 200 W樣品中的石墨特征峰的強(qiáng)度大幅降低,表明此時(shí)石墨基底表面的sp2C可能被Ta大量消耗形成TaC相。圖2中譜線6為2 400 W樣品的Raman譜線,在630 cm-1和780 cm-1位置發(fā)現(xiàn)了較弱的TaC特征峰,該樣品中還存在石墨的1 350 cm-1(D峰)、1 583 cm-1(G峰)、1 624 cm-1(D′峰)、2 694 cm-1(2D峰)、2 948 cm-1(D+D′峰)和2 437 cm-1這6個(gè)Raman特征峰,與本征石墨的Raman特征峰進(jìn)行對(duì)比,2 400 W樣品中的石墨特征峰的強(qiáng)度大幅降低,表明此時(shí)石墨基底表面的sp2C可能被Ta大量消耗形成TaC相。

1—本征石墨;2—1 600 W;3—1 800 W;4—2 000 W;5—2 200 W;6—2 400 W。圖2 本征石墨和不同熱絲功率樣品的Raman光譜圖Fig.2 Raman spectrum of intrinsic graphite and samples with different hot filament powers

綜合上述本征石墨和不同功率樣品的Raman光譜分析可知：當(dāng)熱絲功率為1 600 W時(shí),石墨的5個(gè)Raman特征峰的強(qiáng)度并未發(fā)生太大變化;當(dāng)熱絲功率繼續(xù)升高,增大至1 800～2 400 W時(shí),石墨的D峰、G峰、D′峰、2D峰和D+D′峰的強(qiáng)度大幅降低,表明在1 800～2 400 W樣品中,石墨基底表面的sp2C可能被Ta大量消耗形成TaC相。因?yàn)镽aman光譜并不是檢測(cè)TaC的有效手段,所以僅在1 800,2 200,2 400 W樣品的Raman光譜中的630 cm-1和780 cm-1位置發(fā)現(xiàn)了半峰寬大且峰信號(hào)較弱的TaC特征峰,而在1 600,2 000 W樣品中并未檢測(cè)出較明顯的TaC特征峰。Raman光譜結(jié)果表明:在熱絲功率≥1 800 W時(shí),石墨表面的C被鉭絲沉積的Ta大量消耗形成TaC相,導(dǎo)致石墨的Raman特征峰強(qiáng)度大幅降低。

2.3 EDS能譜和透射電鏡分析

為了進(jìn)一步確定不同熱絲功率條件下樣品表面的相成分,采用高分辨透射電子顯微鏡(High resolution transmission electron microscope,HRTEM)對(duì)樣品表面的元素組成及其微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。HRTEM設(shè)備配備有能譜儀(Energy dispersive spectroscopy,EDS),在進(jìn)行微結(jié)構(gòu)表征過(guò)程中,采集了本征石墨和不同熱絲功率樣品的EDS數(shù)據(jù)。本征石墨和不同功率樣品的EDS譜線如圖3所示。

1—本征石墨;2—1 600 W;3—1 800 W;4—2 000 W;5—2 200 W;6—2 400 W。圖3 本征石墨和不同熱絲功率樣品的EDS譜圖Fig.3 EDS spectrum of intrinsic graphite and samples with different hot filament powers

圖3中譜線1為本征石墨的EDS譜線,主要顯示了C、O和Cu峰[19-20],其中C峰來(lái)自于石墨襯底,O峰可能是空氣中O2附著在石墨襯底上所產(chǎn)生的峰信號(hào),Cu峰來(lái)自于透射制樣中的銅網(wǎng)。圖3中譜線2為1 600 W樣品的EDS譜線,主要顯示了C、O、Ta[19-20]和Cu峰,對(duì)比本征石墨的EDS分析結(jié)果,新出現(xiàn)的Ta峰來(lái)自于鉭絲。圖3中譜線3、譜線4、譜線5和譜線6分別為1 800 W樣品、2 000 W樣品、2 200 W樣品和2 400 W樣品的EDS譜線,這4條譜線均顯示了C、O、Ta和Cu峰,對(duì)比本征石墨的EDS分析結(jié)果,新出現(xiàn)的Ta峰也均來(lái)自于鉭絲。通過(guò)對(duì)比本征石墨,去除透射銅網(wǎng)制樣產(chǎn)生的Cu峰和空氣中O2附著在樣品表面所產(chǎn)生的O峰,可以確定不同熱絲功率下制備的樣品表面主要元素均為C和Ta,C來(lái)自于石墨襯底,Ta來(lái)自于加熱鉭絲。

通過(guò)EDS測(cè)試,確定了樣品表面的主要元素為C和Ta,進(jìn)而分別對(duì)不同熱絲功率樣品進(jìn)行微結(jié)構(gòu)分析。本征石墨的透射電鏡圖片如圖4(a)所示,圖4(a)左圖為本征石墨透射電鏡低倍率明場(chǎng)像,其內(nèi)插圖為選區(qū)電子衍射圖,顯示石墨的(101),(100)與(110)晶面衍射信息,未發(fā)現(xiàn)石墨最強(qiáng)的(002)晶面衍射信息,本征石墨表現(xiàn)出了層狀石墨的結(jié)構(gòu)特征;圖4(a)右圖為區(qū)域i的放大圖像,圖FT-i為區(qū)域i的傅里葉變換圖,顯示了石墨的(002),(101)和(100)晶面衍射信息;FT-1為圖4(a)右圖中區(qū)域1的傅里葉變換圖,顯示了石墨的(002)晶面衍射信息,晶面間距為0.335 nm,表明層狀石墨的邊緣存在卷曲;圖FT-2為圖4(a)右圖中區(qū)域2的傅里葉變換圖,顯示了區(qū)域2中石墨的(101)和(100)晶面衍射信息,晶面間距分別為0.202,0.212 nm。通過(guò)對(duì)本征石墨微結(jié)構(gòu)的分析,得到了完整的本征石墨衍射信息,與實(shí)驗(yàn)后樣品的HRTEM衍射數(shù)據(jù)形成明顯對(duì)比,得到更加準(zhǔn)確的樣品表面物相組成及其微結(jié)構(gòu)。1 600 W樣品的透射電鏡圖片如圖4(b)所示,圖4(b)左圖為1 600 W樣品的透射電鏡低倍率明場(chǎng)像,顯示了不致密的小尺寸納米顆粒形貌,顆粒尺寸在14 nm左右;圖4(b)左圖中的內(nèi)插圖為選區(qū)電子衍射圖,主要顯示了0.260,0.228,0.160,0.212,0.133,0.344 nm 6種晶面間距,其中0.260,0.228,0.160,0.133 nm晶面間距分別對(duì)應(yīng)TaC的(111),(200)、(220)和(311)晶面,0.212,0.344 nm晶面間距分別對(duì)應(yīng)石墨的(100)(白色箭頭)和(002)晶面;圖4(b)右圖為區(qū)域ii的放大圖像,圖FT-ii為區(qū)域ii的傅里葉變換圖,顯示了TaC的(111)和(200)晶面衍射信息,同時(shí)還顯示了石墨基底(002)(白色箭頭)晶面衍射信息;圖FT-3為圖4(b)右圖中區(qū)域3的傅里葉變換圖,顯示了TaC的(111)晶面衍射信息;圖4(b)中的3部分為區(qū)域3的放大圖像,顯示了TaC(111)晶面衍射條紋。1 800 W樣品的透射電鏡圖片如圖4(c)所示,圖4(c)左圖為1 800 W樣品的透射電鏡低倍率明場(chǎng)像,顯示了致密的納米顆粒,顆粒尺寸約為20 nm;圖4(c)左圖中的內(nèi)插圖為選區(qū)電子衍射圖,主要顯示了0.260,0.228,0.160,0.212,0.133,0.344 nm 6種晶面間距,其中0.260,0.228,0.160,0.133 nm晶面間距分別對(duì)應(yīng)TaC的(111),(200)、(220)和(311)晶面,0.212 nm和0.344 nm晶面間距分別對(duì)應(yīng)石墨的(100)(白色箭頭)和(002)(白色箭頭)晶面;圖4(c)右圖為區(qū)域iii的放大圖像,圖FT-iii為區(qū)域iii的傅里葉變換圖,顯示了TaC的(111),(200)和(220)晶面衍射信息,同時(shí)還顯示了石墨基底(002))(黑色箭頭)和(100)(白色箭頭)晶面衍射信息;圖FT-4為圖4(c)右圖中區(qū)域4的傅里葉變換圖,顯示了TaC的(111)和石墨的(100)(黑色箭頭)晶面衍射信息;圖4(c)中的4部分為區(qū)域4的放大圖像,主要顯示了TaC(111)晶面衍射條紋。

FT-i—區(qū)域i的傅里葉變換圖;FT-1—區(qū)域1的傅里葉變換圖;FT-2—區(qū)域2的傅里葉變換圖;FT-ii—區(qū)域ii的傅里葉變換圖;FT-3—區(qū)域3的傅里葉變換圖;3—區(qū)域3的放大圖片;FT-iii—區(qū)域iii的傅里葉變換圖;FT-4—區(qū)域4的傅里葉變換圖;4—區(qū)域4的放大圖片。圖4 本征石墨、1 600 W樣品和1 800 W樣品的透射電鏡圖片F(xiàn)ig.4 Transmission electron microscope images of intrinsic graphite, 1 600 and 1 800 W samples

2 000 W樣品的透射電鏡圖片如圖5(a)所示,圖5(a)左圖為2 000 W樣品的透射電鏡低倍率明場(chǎng)像,也顯示了比較致密的納米顆粒,顆粒尺寸約為25 nm;左圖中的內(nèi)插圖為選區(qū)電子衍射圖,主要顯示了0.260,0.228,0.160,0.212,0.133,0.344 nm 6種晶面間距,其中0.260,0.228,0.160,0.133 nm晶面間距分別對(duì)應(yīng)TaC的(111),(200)、(220)和(311)晶面,0.212,0.344 nm晶面間距分別對(duì)應(yīng)石墨的(100)(白色箭頭)和(002)(白色箭頭)晶面;圖5(a)右圖為區(qū)域i的放大圖像,圖FT-i為區(qū)域i的傅里葉變換圖,顯示了TaC的(111)、(200)、(220)和(311)晶面衍射信息,同時(shí)還顯示了石墨基底(100)(白色箭頭)晶面衍射信息;圖FT-1為圖5(a)右圖中區(qū)域1的傅里葉變換圖,顯示了TaC的(111)和(200)晶面衍射信息;圖5(a)中的1部分為區(qū)域1的放大圖像,主要顯示了TaC(111)和(200)晶面衍射條紋。2 200 W樣品的透射電鏡圖片如圖5(b)所示,圖5(b)左圖為2 200 W樣品的透射電鏡低倍率明場(chǎng)像,顯示了致密的納米顆粒,顆粒尺寸較2 000 W樣品未見明顯增大,尺寸約為26 nm;圖5(b)左圖中的內(nèi)插圖為選區(qū)電子衍射圖,主要顯示了0.260,0.228,0.160,0.212,0.133 ,0.344 nm 6種晶面間距,其中0.260,0.228,0.160,0.133 nm晶面間距分別對(duì)應(yīng)TaC的(111),(200)、(220)和(311)晶面,0.212,0.344 nm晶面間距分別對(duì)應(yīng)石墨的(100)(白色箭頭)和(002)(白色箭頭)晶面;圖5(b)右圖為區(qū)域ii的放大圖像,圖FT-ii為區(qū)域ii的傅里葉變換圖,顯示了TaC的(111),(200)、(220)和(311)晶面衍射信息,同時(shí)還顯示了石墨基底(002)(白色箭頭)和(100)(白色箭頭)晶面衍射信息;圖FT-2為圖5(b)右圖中區(qū)域2的傅里葉變換圖,顯示了TaC的(111)和(200)晶面衍射信息;圖5(b)中的2部分為區(qū)域2的放大圖像,主要顯示了TaC(111)和(200)晶面衍射條紋。2 400 W樣品的透射電鏡圖片如圖5(c)所示,圖5(c)左圖為2 400 W樣品的透射電鏡低倍率明場(chǎng)像,顯示了致密的納米顆粒,顆粒尺寸明顯增大,尺寸約為35 nm;圖5(c)左圖中的內(nèi)插圖為選區(qū)電子衍射圖,主要顯示了0.260,0.228,0.160,0.212,0.133,0.344 nm 6種晶面間距,其中0.260,0.228,0.160,0.133 nm晶面間距分別對(duì)應(yīng)TaC的(111),(200),(220)和(311)晶面,0.212,0.344 nm晶面間距分別對(duì)應(yīng)石墨的(100)(白色箭頭)和(002)(白色箭頭)晶面;圖5(c)右圖為區(qū)域iii的放大圖像,圖FT-iii為區(qū)域iii的傅里葉變換圖,顯示了TaC的(111)、(200)和(311)晶面衍射信息,同時(shí)還顯示了石墨基底(100)(白色箭頭)晶面衍射信息;圖FT-3為圖5(c)右圖中區(qū)域3的傅里葉變換圖,顯示了TaC的(111)晶面衍射信息;圖5(c)中的3部分為區(qū)域3的放大圖像,主要顯示了TaC(111)晶面衍射條紋。

FT-i—區(qū)域i的傅里葉變換圖;FT-1—區(qū)域1的傅里葉變換圖;1—區(qū)域1的放大圖片;FT-ii—區(qū)域ii的傅里葉變換圖;FT-2—區(qū)域2的傅里葉變換圖;2—區(qū)域2的放大圖片;FT-iii—區(qū)域iii的傅里葉變換圖;FT-3—區(qū)域3的傅里葉變換圖;3—區(qū)域3的放大圖片。圖5 2 000,2 200,2 400 W樣品的透射電鏡圖片F(xiàn)ig.5 Transmission electron microscopy images of 2 000, 2 200 and 2 400 W samples

綜上所述,隨著功率的逐步增加,TaC納米顆粒尺寸也在緩慢增大。當(dāng)功率為1 600 W時(shí),TaC顆粒不致密且尺寸最小,尺寸約為14 nm;當(dāng)功率增大至2 400 W時(shí),TaC顆粒變得致密,顆粒尺寸也增大到35 nm,該結(jié)果與圖1中的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡結(jié)果是一致的。通過(guò)對(duì)不同熱絲功率樣品的透射電鏡分析,均發(fā)現(xiàn)了TaC和石墨基底的衍射信息,透射電鏡的結(jié)果進(jìn)一步證明了在石墨基底上成功制備出了致密的TaC納米顆粒。

3 結(jié) 論

以石墨為襯底,在熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中成功制備出TaC納米顆粒。隨著熱絲功率逐步增加,TaC納米顆粒致密度高,顆粒尺寸緩慢增大;當(dāng)功率為1 600 W時(shí),TaC納米顆粒尺寸最小,約為14 nm,此時(shí)納米顆粒不致密;當(dāng)功率為1 800 W時(shí),TaC納米顆粒尺寸增大到20 nm,此時(shí)納米顆粒致密度高,顆粒形貌不規(guī)則;當(dāng)功率為2 000 W時(shí),TaC納米顆粒尺寸增大到25 nm,此時(shí)納米顆粒致密度和形貌較功率為1 800 W時(shí)并未發(fā)生明顯變化;當(dāng)功率為2 200 W時(shí),TaC納米顆粒存在26 nm和63 nm的兩個(gè)尺寸,表明2 200 W樣品表面顆粒大小均勻度不高,其中大尺寸顆粒相對(duì)較少;當(dāng)功率為2 400 W時(shí),獲得了均勻度高且尺寸大的TaC納米顆粒,顆粒尺寸約為35 nm,并且此時(shí)的TaC納米顆粒致密度高,顆粒形狀最規(guī)則。筆者方法通過(guò)調(diào)節(jié)功率參數(shù),可以制備不同尺寸及致密度的TaC納米顆粒,可應(yīng)用于合金領(lǐng)域的晶粒細(xì)化劑、碳基材料防護(hù)涂層等,對(duì)于實(shí)現(xiàn)TaC的多領(lǐng)域應(yīng)用有較重要的價(jià)值。