类金刚石及掺硅类金刚石超薄膜的制备和摩擦学性能研究

摘要

本论文采用实验室最新设计研制的FDJ600型高真空多功能沉积设备通过离子束溅射以及射频感应耦合(inductively coupled plasmg，ICP)化学气相沉积等方法，在单晶硅(111)基底上沉积了DLC超薄膜以及掺硅的DLC超薄膜。针对不同的沉积条件对超薄膜的摩擦学性能进行了研究。 一、离子束溅射法制备DLC超薄膜的结构和摩擦学性能研究 采用实验室最新设计研制的FDJ600型高真空多功能沉积设备通过离子束溅射方法在较低温度下在单晶硅(111)基底上沉积了DLC薄膜，对不同偏压下制备的DLC薄膜的表面形貌，结构和摩擦学性能进行了研究，并讨论了偏压对其结构和摩擦学性能的影响。结果表明，不同的偏压对DLC薄膜的表面形貌，结构以及摩擦学性能都有着较大的影响。在0～-350V的偏压范围内，随着负偏压的增加，薄膜中sp<'3>碳含量逐渐升高，而摩擦学性能则在-150V偏压时最为优良。可见薄膜的摩擦学性能不仅与sp<'3>含量的多少有关，还与由于偏压的改变引起的薄膜表面粗糙度以及薄膜硬度的变化有关。在-350V偏压时具有网状交联结构的sp<'3>碳含量相对较少，导致表面粗糙度的增加以及薄膜中硬质粒子对薄膜进行犁削作用，都使薄膜的摩擦学性能降低。 二、射频感应耦合化学气相沉积类金刚石超薄膜的结构和摩擦学性能研究 采用FDJ600型高真空多功能沉积设备通过射频感应耦合离子源(inductively coupled plasma，ICP)在较低温度下在单晶硅(111)基底上沉积了DLC超薄膜，并对不同偏压下制备的DLC薄膜的表面形貌，内部结构以及摩擦学性能进行了研究。结果发现，利用射频感应耦合离子源以乙炔为气源在单晶硅基底上沉积了表面光滑致密，具有良好减摩抗磨性能的DLC薄膜。衬底负偏压对DLC薄膜的表面形貌和结构都有着很大的影响。主要是由于偏压的增加提高了沉积离子的轰击能量使薄膜发生石墨化现象，薄膜中sp<'2>的含量逐渐升高。负偏压的不同对DLC薄膜的摩擦学性能也有较大的影响。随着偏压的增大，薄膜的摩擦系数逐渐升高，减摩能力有所降低。综合看来，在-100V的负偏压下所沉积的薄膜的综合性能最佳。 三、掺硅类金刚石超薄膜的结构和摩擦学性能研究 采用FDJ600型高真空多功能沉积设备，在利用射频感应耦合离子源(inductively coupled plasma，ICP)选用乙炔为气源，在单晶硅(111)基底上沉积DLC超薄膜的同时，利用离子束溅射固体单晶石墨的方法掺入Si元素。通过控制溅射的能量来改变薄膜中Si元素的含量，避免了沉积过程可能会遇到的危险。并对制备出来的DLC超薄膜的摩擦学性能进行了测试。结果发现，薄膜中硅元素含量的大小对薄膜的结构和摩擦学性能都有着很大的影响，随着硅含量的逐渐增加，薄膜中sp<'3>键的含量也逐渐增多。当硅元素在薄膜中的含量在4％左右时，即所用的溅射能量为400V时，薄膜的摩擦系数最低，摩擦学性能最为优良。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

§1.1引言

§1.2 DLC薄膜的结构

1.2.1 DLC薄膜的结构模型

1.2.2 DLC薄膜的结构分析方法

§1.3 DLC薄膜的制备技术

1.3.1物理气相沉积(physical vapour deposition)

1.3.2化学气相沉积(physical vapour deposition)

§14 DLC薄膜的生长机理

§1.5 DLC薄膜的性能和应用

1.5.1机械领域的应用

1.5.2电子领域的应用

1.5.3医学领域的应用

§1.6论文的选题依据、研究思路和研究内容

参考文献

第二章离子束溅射法制备DLC超薄膜的结构和摩擦学性能研究

§2.1引言

§2.2实验部分

§2.2.1基底预处理

§2.2.2ICP氩离子轰击清洗

§2.2.3薄膜制备

§2.2.4性能检测

§2.3结果与讨论

§2.3.1负偏压对薄膜表面形貌的影响

§2.3.2负偏压对薄膜结构的影响

§2.3.3负偏压对薄膜摩擦学性能的影响

§2.4本章小结

参考文献

第三章射频感应耦合化学气相沉积类金刚石超薄膜的结构和摩擦学性能研究

§3.1引言

§3.2实验部分

§3.2.1基底预处理

§3.2.2ICP氩离子轰击清洗

§3.2.3薄膜制备

§3.2.4性能检测

§2.3结果与讨论

§2.3.1负偏压对薄膜表面形貌的影响

§3.3.2负偏压对薄膜结构的影响

§3.3.3负偏压对薄膜摩擦学性能的影响

§3.4本章小结

参考文献

第四章掺硅类金刚石超薄膜的结构和摩擦学性能研究

§4.1引言

§4.2实验部分

§4.2.1基底预处理

§4.2.2ICP氩离子轰击清洗

§4.2.3薄膜制备

§4.2.4性能检测

§4.3结果与讨论

§4.3.1硅含量对薄膜结构的影响

§4.3.2硅含量对薄膜摩擦学性能的影响

§4.4本章小结

参考文献

第五章结论

硕士期间发表和完成的论文

致谢