非平衡磁控溅射制备类石墨碳膜及性能研究.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61，No．5(2012)056103非平衡磁控溅射制备类石墨碳膜及性能研究术王永军)2)李红轩)吉利)刘晓红)吴艳霞)2)周惠娣)陈建敏)十1)(中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，兰州730000)2)(中国科学院研究生院，北京100049)(2011年2月11日收到；2011年6月23日收到修改稿)利用中频非平衡磁控溅射技术在单晶硅基底上沉积了类石墨碳膜，采用Raman光谱、高分辨透射电子显微镜、原子力显微镜分析了薄膜微观结构和表面形貌；采用纳米压痕仪

2、和CSM摩擦磨损试验机测试了碳膜力学性能和摩擦学性能．结果表明：利用中频非平衡磁控溅射技术沉积的碳膜是一种以sp。键合碳为主、结构非晶、硬度适中、应力较低、表面粗糙度较大、摩擦性能优异的薄膜．脉冲占空比对薄膜微观结构和性能有显著影响，随着脉冲占空比的增大，Raman光谱D峰和G峰的强度比ID／Ic先减小后增大，而硬度随脉冲占空比的增大却呈现出相反的变化趋势，即先增大后减小；大气氛围中的摩擦性能测试表明，本实验制备的薄膜具有优异的抗磨性能(N10-1cm。／N一．m一1)和承载能力(2．5GPa)．随脉冲占空比的增大

3、，薄膜摩擦系数变化甚微而磨损率却呈现先显著减小后轻微增大的变化趋势．类石墨碳膜优异的摩擦学性能主要归因于其独特的结构、较低的内应力及良好的结构稳定性．关键词：磁控溅射，类石墨碳膜，微观结构，性能PACS：61．43．Dq，62．20．Qp，68．55．Ln1引言尤其是承载能力明显优于以sp0键合碳为主的类金刚石碳膜[10-14】．其中最具代表性的就是英国Teer非晶碳膜因具有硬度高、摩擦磨损小、耐腐涂层有限公司研制的两种类石墨碳基薄膜，这两种蚀性强、导电性能良、透光率好及生物相容性佳类石墨碳膜不仅具有良好的力学性能

4、，而且在大气等一系列优异性能使其在机械、生物及材料领域氛围中其承载能力竟能高达3．7GPa，远远高于报具有广阔的应用前景[，．因此，近二十年来非晶道的类金刚石碳膜．类石墨碳基薄膜这种优异的摩碳膜的制备和研究备受关注．然而，传统的类金擦学性能为其在高承载条件下的应用提供了可能．刚石碳膜存在内应力高、结合强度差、承载能力然而，迄今为止有关类石墨碳基薄膜的研究报道相低及热稳定性差等缺陷使其应用范围受到很大限对匮乏，对其结构的认识也不够深入．因此，为了进制[，．研究人员通过掺杂元素、构筑梯度过渡层一步发展类石墨碳基薄膜，对

5、其结构和性能进行详及衬底表面图样化等方式在一定程度上降低了内细研究就显得尤为重要．应力，提高了膜基结合力，改善了摩擦性能[13-9]，本文利用自行研制的化学气相沉积和物理气但部分改进的实现往往是以力学性能的损失为代相沉积相结合的多功能真空镀膜设备在单晶硅衬价．因此，制备一种本身兼具优异力学性能和摩擦底上溅射沉积了类石墨非晶碳膜．分别利用Raman学性能的碳基薄膜，使其满足苛刻工况条件下的应光谱、高分辨透射电子显微镜、原子力显微镜、用是迫切需要的．近年来国内外大量研究表明，一纳米压痕仪和CSM摩擦磨损试验机分析测试了

6、薄种以sD键合碳为主的类石墨碳膜其摩擦学性能、膜微观结构和性能详细讨论了脉冲占空比对薄膜国家自然科学基金(批准号：50705093，50575217)、国家自然科学基金创新群体基金(批准号：50421502)和国家重点基础研究发展计划(批准号：2007CB607601)资助的课题．十E—mail：chenjm@licp．cas．cn④2012中国物理学会ChinesePhysicalSociety￡tp：／／wulixb．iphy．ac．c佗056103—1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61，No．5(

7、2012)056103结构和性能的影响．III型原子力显微镜(AFM)观测分析薄膜的表面形貌和粗糙度；采用JEM2010型高分辨率透射电子显微镜(TEM)对薄膜的微观形貌进行表征．利2实验方法用NanoTest600纳米压痕仪(MicroMaterialsLtd．，2．1样品制备uK1来测定薄膜的纳米硬度和弹性模量．为减少基体对薄膜硬度的影响，压入深度一般不超过薄膜利用自行研制的化学气相沉积和物理气相沉厚度的1／10(约为100nm)，同一样品做5次测试后积相结合的多功能真空镀膜设备在单晶硅基底上取平均值．利用非接

8、触式三维表面轮廓仪测量薄膜溅射沉积了厚度约为1岬的碳膜．图1给出了多沉积前后基底曲率半径，并结合Stoney公式计算功能真空镀膜设备结构示意图．该设备由射频辅助薄膜内应力．在相对湿度为70％的大气氛围中，利电感耦合等离子体增强化学气相沉积单元、中频用往复式球．盘滑动摩擦试验机(CSM)对薄膜摩交流非平衡磁控溅射单元和直流非平衡磁控溅射擦学性能进行了测试．试验