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类金刚石(Diamond-likeCarbon，DLC)膜是一种含有sp3键和sp2键结构的非晶碳薄膜，具有许多与金刚石膜相似的性能，在机械、电子、光学和医学等领域具有广泛的应用。其各种性能受薄膜中的sp3和sp2键的含量控制，因此提高sp3键含量和调节sp3与sp2键的比例，研究它们与薄膜的机械和光电性能的关系，对于类金刚石膜的应用就显得尤为重要。脉冲偏压电弧离子镀技术作为一种镀膜工艺具有良好的工业化应用前景，有利于实现类金刚石膜的产业化。本文利用电弧离子镀工艺，以石墨为靶材沉积类金刚石膜，探索了提高sp3键含量、控制sp3键与sp2键的比例和提高薄膜性能的工艺参数，研究氮原子掺杂对DLC膜结构和性能的影响，分析了电弧离子镀沉积类金刚石膜的机理。采用Raman光谱和XPS分析DLC膜的微观结构；利用纳米压入仪和SRV摩擦磨损仪研究DLC膜的力学性能和耐磨性；通过测量DLC膜的光学性能，分析了其能带结构。
脉冲偏压和气体介质影响类金刚石膜中的sp3键含量。研究结果表明在Ar气氛和-200V的脉冲偏压下，可以获得DLC膜中最高的sp3键含量，最高含量为35.55％。进一步分析DLC膜的Raman光谱和XPS，发现ID/IG值的大小可反映薄膜中sp3键的含量，ID/IG值小对应着sp3键含量大。
sp3键决定DLC膜的硬度和弹性模量，提高sp3键含量可增加DLC膜的硬度和弹性模量。在-200V和Ar气氛的条件下DLC膜的硬度和弹性模量最大，分别为34.8和236.9GPa。电弧离子镀制备DLC膜的摩擦系数较低为0.19左右，并受摩擦条件的影响，DLC膜的减磨机理与其高硬度和sp2键结构的自润滑作用有关。
掺杂氮原子DLC膜的结构和性能研究表明，最大氮原子掺杂浓度为12.7％，氮原子的掺入改变了薄膜中的键结构，导致sp3键的总含量下降，促进sp2团簇的增加，调节了薄膜中的sp3和sp2键的比例。在低氮原子含量时，氮原子更容易与sp2杂化的碳原子结合形成N-sp2C键；而高氮原子含量下则倾向于与sp3杂化的碳原子结合，形成N-sp3C键。氮原子掺入后，降低了薄膜的摩擦系数，增加了薄膜的热稳定性，提高了薄膜结构和性能发生变化的温度，并改变了DLC膜的光学带隙。
电弧离子镀制备的DLC膜在可见光和近红外光区域具有良好的透过性，紫外区强吸收。根据DLC薄膜的紫外-可见-近红外透射和反射光谱，研究了其光学带隙和能带结构。发现通过调节薄膜中sp2/(sp2+sp3)的比例，DLC膜的光学带隙在1.04-1.30eV范围可变。Ar气氛下，制备DLC膜的sp2/(sp2+sp3)最小，其光学带隙最大为1.30eV。DLC膜中的sp2C决定其光学性能，光学带隙可调是DLC膜的一个重要特征。采用非晶碳膜的两相模型对DLC膜的能带结构进行了阐述，DLC膜的光学带隙主要决定于sp2C所形成的π键结构，离域大π键将促使sp2C在sp3C基体中形成π键团簇，控制DLC膜的光学带隙。可通过在DLC膜的生长过程中调整工艺参数，控制sp3键和sp2键的比例进而调整其光学带隙。