离子辅助中频非平衡磁控溅射制备类金刚石薄膜

摘要

本文首先对类金刚石薄膜的研究背景、结构、性能、制备方法、表征、应用、以及生长机理进行了综述。在此基础上，利用霍尔等离子体源辅助中频非平衡磁控溅射技术制备了类金刚石薄膜，并研究了基底偏压、基底温度、霍尔放电电流、Ar/N2比例以及过渡层与不同基底对类金刚石薄膜性能的影响。采用激光拉曼光谱分析了薄膜的微观结构；X射线衍射评估了过渡层的相结构；扫描电子显微镜、原子力显微镜观察薄膜的表面形貌，并用轮廓仪测量薄膜的粗糙度和厚度；色差仪观测薄膜的颜色；微纳米力学综合测试系统测量薄膜的硬度和弹性模量；大载荷划痕仪测量薄膜的结合力；摩擦磨损试验机检测薄膜的摩擦系数。研究结果表明： (1)基底偏压增加，类金刚石薄膜表面粗糙度增大，薄膜中sp3键含量先增加后减少，薄膜的硬度与弹性模量与sp3键含量保持着同一个变化趋势。当基底偏压为-80V时，薄膜的sp3键含量最大，硬度和弹性模量也同时达到最大，分别为15.23Gpa和147.245Gpa。 (2)基底温度增加，类金刚石薄膜表面粗糙度变化不大。当基底温度为80℃时，薄膜中的sp3键含量最大。随着基底温度的继续增加，sp3键含量逐渐下降。当温度从80℃增加到120℃，由于在薄膜中产生少量的良好有序的石墨区域，而这些良好有序的结构导致薄膜硬度和弹性模量增大。当温度为120℃时，硬度和弹性模量最大分别为12.549Gpa和156.211Gpa。随着温度的增加，硬度和弹性模量急剧下降。 (3)随着霍尔放电电流逐渐增加，不锈钢316L上沉积的类金刚石薄膜表面粗糙度先减小后不变。单晶Si上沉积的类金刚石薄膜表面粗糙度变化不大。霍尔放电电流增加，薄膜中sp3键含量减少，硬度与弹性模量也逐渐减小，而类金刚石薄膜的颜色逐渐变浅。当霍尔放电电流为0时，sp3键含量最多，硬度和弹性模量最大，分别为12.641Gpa和150.135Gpa。 (4)N含量对类金刚石薄膜性能有重要影响。随着N含量的增加，a-C：N薄膜沉积速率增大，薄膜表面粗糙度增大，而薄膜的颜色逐渐变红。当Ar/N2比例从8.49：1减小到4.245：1时，a-C：N薄膜中的sp3键含量增加，继续增加N2含量，薄膜中大量的碳氮键，使薄膜不再符合Ferrari模型，导致不能用ID/IG来定性判断sp3键含量。随着N2含量的增加，a-C：N薄膜的硬度和弹性模量先增大后减小。当Ar/N2比例为4.245：1时，薄膜的硬度和弹性模量最大，分别为9.151Gpa和129.838Gpa。随着Ar/N2比例减少，a-C：N薄膜的摩擦系数变化不是很明显，保持在0.15附近。 (5)试验中Ti/TiC与Ti/TiN/TiCN/TiC过渡层以(111)晶面为择优取向，而Ti/TiN/TiCN过渡层并没有明显的择优取向。在不同过渡层上，不同基底沉积类金刚石薄膜的结合力存在一个共同规律：硬质合金YW2沉积的类金刚石薄膜结合力最好，高速钢M2次之，不锈钢316L最差。以Ti/TiN/TiCN为过渡层在三种不同基底上沉积类金刚石薄膜的摩擦系数都小于0.2。其中以高速钢上沉积的类金刚石薄膜的摩擦系数最小仅为0.07。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文版权使用授权书

第一章绪论

第二章实验设备及分析方法

第三章中频非平衡磁控溅射制备非氢类金刚石薄膜

第四章氮气对沉积类金刚石薄膜的影响

第五章过渡层及不同基底对沉积类金刚石薄膜的影响

第六章结论与建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文