类金刚石碳薄膜材料的高功率脉冲磁控溅射制备

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类金刚石碳(Diamond like carbon, DLC)薄膜是一种由sp3和sp2键组成的非晶质碳膜,显示出优良的机械、光学、电学等性能。高功率脉冲磁控溅射技术(High power impulse magnetron sputtering, HiPIMS)具有离子化程度高、离子能量低且能量分布集中、制备的薄膜均匀致密等优点。本文分别采用直流磁控溅射和HiPIMS方法制备DLC薄膜,探讨了溅射工艺参数——溅射气压、溅射负偏压、溅射温度等对DLC薄膜微观结构和物理性能的影响,并探究了氮掺杂对DLC薄膜微观结构和物理性能的影响。研究结果如下:1、直流磁控溅射制备DLC薄膜工艺过程稳定,可以得到大面积、厚度均匀的DLC薄膜。DLC薄膜的表面形貌受溅射气压和溅射负偏压影响较大,随溅射气压的降低和溅射负偏压的增加,薄膜的表面粗糙度降低。DLC薄膜的sp3键含量受溅射气压影响较大,0.4Pa气压制备的样品的sp3键含量明显高于1Pa气压制备的样品。直流磁控溅射方法得到的DLC薄膜的纳米硬度普遍在10GPa以下。2、HiPIMS技术制备DLC薄膜存在稳定放电的溅射电压和溅射气压区间。随溅射气压的降低和溅射负偏压的增加,DLC薄膜的表面颗粒粒径减小。随溅射负偏压由50V增加到100V和溅射气压由2Pa减小到1Pa,薄膜的D峰和G峰的相对强度ID/1G减小,DLC薄膜的sp3含量增加。薄膜的纳米硬度与ID/IG成负相关,1Pa溅射气压、100V溅射负偏压制备的样品的纳米硬度数值最高,达到18.4GPa。相比于直流磁控溅射技术,HiPIMS技术制备的DLC薄膜显示出较高的纳米硬度。3、使用HiPIMS技术在N2和Ar混合溅射气体中实现氮掺杂的DLC薄膜(DLC:N)的制备。随N2流量比例的增加,DLC:N薄膜的粗糙度增加,薄膜sp3比例降低,薄膜纳米硬度由16.7GPa降低至11.1GPa。50V溅射负偏压的施加,DLC:N薄膜变得致密,纳米硬度由13.7GPa增加至16.0GPa。300℃下制备的DLC:N薄膜的sp3比例降低,但纳米硬度由16.7GPa增加至18.8GPa。
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