利用射频PECVD方法生长类金刚石薄膜的实验研究

摘要

本文采用射频PECVD方法，以C4H10(或CH4)和Ar为气源在不锈钢、玻璃和硅片等基底上制备出大面积类金刚石薄膜。使用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、激光拉曼光谱(Raman)和付立叶变换红外光谱(FT-IR)等研究手段对样品形貌和结构进行了表征；利用显微硬度计、划痕仪和摩擦磨损试验机等对DLC薄膜的机械和摩擦学特性进行了研究，得到了摩擦性能随沉积参数和实验条件的变化规律，对DLC膜的自润滑机制和磨损机理进行了探索。 在电容耦合的射频PECVD系统中，等离子体鞘层作用的结果会在阴极板上产生自偏压，有利于碳离子沉积形成类金刚石膜；借助所设计的中间过渡层Ti/TiN/TiC，在不锈钢上成功沉积了一定厚度的DLC膜，膜与基底的结合力较好；通过优化工艺参数，可以成功地在玻璃、硅片等基底上沉积DLC膜，扩大用射频PECVD工艺沉积类金刚石膜的适用范围。 对不锈钢上沉积的DLC膜作SEM分析，发现薄膜由均匀的颗粒组成，粒径大约为400nm左右；X射线衍射分析表明，所镀DLC膜为非晶碳膜，在XRD谱图中出现了TiN、TiC的衍射峰，说明薄膜表面可能会有微小的缺陷；样品的SEM侧面形貌分析表明，薄膜与基体结合良好，没有出现开裂、分离的情况；AFM分析发现DLC膜明显比基底平整，亮区增加了，岛状颗粒数目明显增多，薄膜的致密性增强，说明了非晶膜的生长机制是大量非晶纳米相结构的聚集，证实了类金刚石薄膜沉积时大颗粒活性粒子的关键作用。 对硅片、玻璃上所沉积DLC膜作FT-IR光谱分析，表明薄膜样品的碳原子主要以sp3的组态存在；XPS全谱分析表明膜的主要组成元素为碳，还含有少量的氧及微量的Ni和N。 通过优化工艺参数，不锈钢上沉积的DLC膜与钢球对磨时，摩擦系数可低于0.020；DLC膜的摩擦系数不随载荷而变化，与镀DLC膜的钢球对磨时摩擦系数更低，不同沉积电压下所镀的DLC膜的摩擦特性有所不同，2500v沉积的薄膜摩擦性能更好；对对磨球作SEM观测，发现在滑动过程中对磨球上发生了塑性变形，摩擦过程中在样片和对磨球之间形成了转移层。 对DLC膜磨损前后作AFM分析，可以看出磨损区域明显的平滑了许多，这意味着凹凸不平的表面由于摩擦抛光而产生了平坦的区域，在摩擦实验中薄膜与对磨面之间的破坏机理可能是由于两个接触面之间在某些接触点上的局部应力超过双方材料的抗压强度；Raman分析表明，与磨损前DLC膜相比，磨痕与磨屑谱图的ID/IG均增大了许多，该变化趋势同DLC膜在高温退火时的变化类似，可以认为DLC膜的减摩机理是由于两个对磨面之间摩擦热的积累促使sp3键向类石墨的sp2结构转化所致。 射频PECVD工艺沉积类金刚石薄膜的反应过程满足浅注入模型，sp3的形成过程、离子能量的重要作用均可由此得到合理的解释；在金刚石生长的非平衡热力学过程中，外界能量的输入的激活作用以及由此产生的超平衡氢的存在具有重要作用，氢自由基能与sp2碳原子反应而形成金刚石表面的sp3碳原子簇。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1类金刚石膜发展史和近年研究热点

1.1.1类金刚石薄膜发展史

1.1.2近年研究热点

1.2类金刚石膜的性质及应用

1.2.1类金刚石膜性能

1.2.2类金刚石膜的应用

1.3常用制备方法

1.3.1物理气相沉积

1.3.2化学气相沉积

1.4不锈钢上沉积DLC薄膜的研究进展

1.5本课题的研究内容

参考文献

第二章类金刚石薄膜材料的制备

2.1概述

2.2 DLC薄膜材料设计

2.3 DLC薄膜材料制备方法及条件

2.3.1过渡层的制备

2.3.2类金刚石膜的制备

2.4不同基体上 DLC薄膜的生成

2.5本章小结

参考文献

第三章类金刚石薄膜材料的表征

3.1结构分析

3.1.1沉积膜的Raman谱表征

3.1.2沉积膜的X射线衍射图谱

3.1.3沉积膜的付氏红外光谱图

3.1.4沉积膜的X射线光电子能谱

3.2形貌分析

3.2.1原子力显微镜分析

3.2.2扫描电镜分析

3.3本章小结

参考文献

第四章DLC膜的机械性能及摩擦学特性

4.1前言

4.2试验部分

4.3结果与讨论

4.3.1类金刚石膜的摩擦系数

4.3.2膜与基材的结合力

4.3.3膜的磨损表面形貌图

4.3.4磨损区域的Raman谱图

4.3.5膜的显微硬度

4.4本章小结

参考文献

第五章射频PECVD沉积DLC膜的机理探索

5.1类金刚石膜成膜机理及理论

5.1.1基本理论

5.1.2 a-C：H膜成膜机理

5.2氢对金刚石结构的稳定作用

5.3 D L C薄膜的结构

5.4基体预处理对合成DLC膜的影响

5.4.1基体的预处理方式

5.4.2结果与讨论

5.5不锈钢表面碳化钛、氮化钛过渡层对合成DLC膜的影响

5.5.1不锈钢样品0Cr18Ni9Ti的Ti、Ti N和TiC沉积

5.5.2过渡层上DLC膜的合成及表征

5.6实验条件对DLC膜的影响

5.7本章小结

参考文献

第六章结论

6.1论文结论

6.2一些探讨性的实验

6.3下一步可开展的工作

参考文献

致谢

个人简历

博士期间发表论文情况