直流偏压辅助脉冲激光沉积CNx薄膜的组织结构和性能

摘要

氮化碳材料以其优异的特性受到大量研究者的重视，但N原子的百分含量及价键结构等的瓶颈限制了它的广泛应用。偏压辅助技术在促进sp3键的合成、氮原子百分含量的提升、改善薄膜表面质量的均匀性等方面展现出了明显的作用，然而关于偏压辅助脉冲激光沉积氮化碳薄膜的报道非常少。
　　本文首先利用脉冲激光沉积技术烧蚀石墨靶在Si基底上制备了氮化碳薄膜（简称为c-CNx），对薄膜的化学成分、微观结构和机械性能进行了分析及探讨;系统研究了沉积偏压对氮化碳薄膜的形貌及结构的影响;考察了氮化碳薄膜的膜-基结合力、硬度和摩擦磨损性能，总结了偏压、结构与薄膜机械性能之间的相关性。然后，选用富含N原子和sp3杂化键的氮化碳靶材替代石墨靶，不同偏压条件制备了氮化碳薄膜（简称i-CNx）并进行了上述同样的薄膜质量分析。最终结合两组薄膜的分析结果，总结出有利于N原子并入碳网异或利于合成sp3键的最佳工艺参数，并对价键结构和机械性能的相关性作一定的规律分析。
　　采用X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)和扫描电子显微镜(SEM)分别对c-CNx薄膜和i-CNx薄膜的化学成分、价键状态及微观形貌进行表征。并借助于纳米压痕仪、涂层附着力自动划痕仪和球盘式摩擦磨损试验机测试了薄膜的硬度、膜-基结合力和摩擦磨损性能。分析结果发现:薄膜为尺寸不一的微观颗粒堆积，偏压条件对薄膜的均匀性改变较小;偏压辅助递进式脉冲激光沉积方法可以较大程度地提升薄膜中的氮原子百分含量，但得出的薄膜尚未发现晶态的特征。结合XPS和Raman的分析，两组薄膜的价键相对百分含量xsp2/xsp3和xsp2c-N/xsp3C-N均随着偏压的增加先减少后增大并在Vb=-40V时得到了最小值（c-CNx薄膜:2.43和1.76; i-CNx薄膜:1.78和1.39）;且此偏压条件下，D峰与G峰的强度比ID/IG取得最小值(c-CNx薄膜:2.2; i-CNx薄膜:1.6);以上的结果都说明Vb=-40 V为最利于sp3键的合成条件。薄膜硬度的变化趋势与xsp3和xsp3C-N的变化趋势非常吻合，同时偏压使得膜-基结合力不断增加。偏压对摩擦系数的变化可以归结到对薄膜表面的均匀性的影响上来，越有利于表面的平整的偏压条件下摩擦系数越低。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 CNx的理论预测

1．3 CNx制备方法

1．3．1 高温高压法

1．3．2 电化学沉积

1．3．3 反应磁控溅射镀膜

1．3．4 化学气相沉积

1．3．5 脉冲激光沉积

1．4 CNx薄膜的性能及潜在应用价值

1．4．1 CNx薄膜的性能

1．4．2 应用前景

1．5 课题立题依据及研究内容

1．5．1 负偏压效应

1．5．2 研究方案的提出及意义

1．5．3 主要研究内容

第2章 CNx薄膜的制备和表征

2．1 CNx薄膜的制备

2．1．1 脉冲激光沉积(PLD)的试验装置

2．1．2 PLD基本原理

2．1．3 PLD的特点

2．1．4 试验方法

2．2 薄膜表征手段

2．2．1 X射线光电子能谱(XPS)

2．2．2 拉曼光谱仪(Raman)

2．2．3 扫描电镜(SEM)

2．2．4 涂层附着力自动划痕仪

2．2．5 纳米压痕仪

2．2．6 球盘式摩擦磨损试验机

第3章 c-CNx薄膜的化学成分、微观结构及机械性能分析

3．1 薄膜化学成分及其微结构的表征

3．1．1 XPS光谱分析

3．1．2 拉曼结构分析

3．2 硬度及膜-基结合力测试

3．2．1 硬度测试

3．2．2 膜-基结合力测试

3．3 形貌分析及摩擦磨损测试

3．3．1 表面及横截面形貌分析

3．3．2 摩擦系数

3．4 本章小结

第4章 i-CNx薄膜的化学成分、微观结构及机械性能分析

4．1 薄膜化学成分及其微结构的表征

4．1．1 XPS光谱分析

4．1．2 拉曼结构分析

4．2 硬度及膜-基结合力测试

4．2．1 硬度测试

4．2．2 膜-基结合力测试

4．2 形貌分析及摩擦磨损测试

4．2．1 表面及横截面形貌分析

4．2．2 摩擦系数分析

4．3 本章小结

第5章 c-CNx薄膜和i-CNx薄膜的对比分析及展望

5．1 化学成分、价键结构和机械性能分析

5．1．1 氮原子百分含量

5．1．2 价键结构

5．1．3 机械性能

5．2 CNx薄膜的生长机理

5．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果