Si,Ni,Ti掺杂类金刚石薄膜的制备及摩擦学性能研究

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采用直流电源,以二甲亚砜-纳米颗粒添加剂混合溶液作为电解液,低温常压条件下,在(100)单晶Si片上沉积了类金刚石(DLC)薄膜。通过扫描电镜、原子力显微镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱仪、透射电镜分析薄膜的形貌和结构,并测定了薄膜的润湿性和摩擦学性能。本论文主要研究内容和结果如下:(1)电化学方法沉积二氧化硅掺杂类金刚石复合薄膜选择二甲亚砜为碳源,纳米二氧化硅为掺杂剂,在70℃,150V电压条件下,通过液相电化学沉积技术在阴极得到硅掺杂的类金刚石薄膜。分别采用X射线光电子能谱仪、原子力显微镜和拉曼散射光谱仪对薄膜的形貌、组成和结构进行了表征,考察了薄膜的浸润性摩擦学性能,并且研究了反应时间对薄膜的影响。结果显示硅主要以氧化态的形式较为均匀地存在于碳膜中。掺杂前后的薄膜对比发现,硅掺杂使得薄膜中的sp2杂化碳含量增多,并且比纯碳膜具有更优异的摩擦学性能。随着反应时间的延长,薄膜外部形貌和内部组分均发生变化,体现在薄膜表面粗糙度的变化以及薄膜由亲水性转变为疏水性。(2)电化学方法沉积镍掺杂类金刚石复合薄膜选择二甲亚砜为碳源,表面修饰的纳米镍颗粒为掺杂剂,在60℃,150V电压条件下,通过液相电化学沉积技术在阴极得到镍掺杂的类金刚石薄膜。TEM结果表明薄膜较为致密均匀,零价的镍纳米颗粒能够稳定且均匀地分散在非晶碳网络中。温和条件下制备的镍掺杂复合薄膜是典型的含氢类金刚石薄膜,且拉曼表征显示比同样的沉积条件下制备的纯DLC薄膜含有更多的sp2杂化碳原子。通过一系列摩擦学测试显示,表面修饰碳链的镍纳米颗粒的引入也使得薄膜具有了更好的抗磨耐磨性。(3)电化学方法沉积二氧化钛掺杂类金刚石复合薄膜选择二甲亚砜为碳源,表面修饰的纳米二氧化钛为掺杂剂,在60℃,150V电压条件下,通过液相电化学沉积技术在阴极得到钛掺杂的类金刚石薄膜。利用透射电子显微镜对其形貌进行了考察,结果表明二氧化钛纳米颗粒能够稳定且均匀地分散在非晶碳基质中。另外,通过X射线光电子能谱、红外光谱和拉曼光谱对薄膜的组成及结构进行了分析,发现这种复合薄膜是一种典型的含氢类金刚石薄膜,并且引入二氧化钛后对薄膜中sp2碳原子的形成有促进作用。
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