衬底偏压对四面体非晶碳膜结构和性能的影响

采用过滤阴极真空电弧技术并施加一定的衬底负偏压,在P(100)单晶硅片上制备出四面体非晶碳薄膜.利用可见光Raman光谱研究薄膜的结构,通过BWF函数描述的单斜劳伦兹曲线拟合数据并获得表征曲线非对称性的耦合系数,从而反映了薄膜中sp图杂化的含量.分别用原子力显微镜和纳米压入仪研究薄膜的表面形态和力学性能.结果表明:当衬底偏压为-80V时,薄膜中sp3杂化的含量最多,均方根表面粗糙度值最低(Rq=0.23 nm),硬度、杨氏模量和临界刮擦载荷也最大,分别为51.49 GPa、512.39 GPa和11.72 mN.随着衬底偏压的升高或降低,sp3键的含量减少,其它性能指标也分别降低.

不同厚度四面体非晶碳薄膜的拉曼表征和内应力

为了探讨膜厚对四面体非晶碳薄膜拉曼结构表征和内应力的影响规律,进而确定应力与拉曼光谱之间的关系,采用过滤阴极真空电弧技术以相同的工艺条件在P(100)单晶抛光硅衬底上制备了从3nm^350nm不同厚度的四面体非晶碳薄膜。利用表面轮廓仪和原子力显微镜测试膜厚,表面轮廓仪确定曲率半径并计算薄膜应力,共聚焦拉曼光谱表征薄膜的结构细节。实验发现,随着膜厚的增加,四面体非晶碳薄膜的应力持续下降,当膜厚超过30nm时,应力的下降趋势变得平缓,并保持在小于5GPa的较低水平。随着膜厚的增加,可见光拉曼光谱中衬底硅的一阶和二阶谱峰强度逐渐降低,在50nm^80nm膜厚范围,半高宽最窄,峰强最高,能够最有效地获得拉曼结构信息。随着膜厚的增加和应力的下降,非晶碳一阶谱峰的峰位表现为逐渐向低频偏移。

掺磷四面体非晶碳薄膜电极的电化学伏安特性

采用过滤阴极真空电弧技术,以高纯磷烷气体为掺杂源制备掺磷四面体非晶碳(ta-C:P)薄膜.利用X射线光电子能谱和激光拉曼光谱表征薄膜的成分和结构,采用循环伏安和微分脉冲伏安分析薄膜的电化学行为.结果表明,磷的掺入没有引起薄膜非晶结构的明显变化,只是促进了sp^2杂化碳原子的团簇.经过酸预处理的ta-C:P薄膜在硫酸溶液中有宽的电势窗口和低的背景电流;对Cl^-有催化活性;薄膜表面电子传输速度快;对水溶液中Cu^(2+)和Cd^(2+)有检测活性.因此具有良好导电性的ta-C:P薄膜适于作为电极并有望用于污水中重金属离子的分析检测等领域.

磁过滤阴极电弧技术沉积高sp^3键含量四面体非晶碳薄膜的工艺优化研究

通过对不同基片偏压下磁过滤器电流对四面体非晶碳(ta-C)薄膜sp3键含量影响的研究,探讨了磁过滤阴极电弧技术制备高sp3键ta-C薄膜优化工艺条件。在不同的基片偏压下,薄膜沉积率随着磁过滤器电流增大而增大。当基片偏压为200 V时,磁过滤器电流从5A增大至13 A,ID/IG从0.18增加到0.39;当基片偏压500V时,ID/IG从1.3增加到2.0;证明随着磁过滤器电流的增大,薄膜中的sp3键含量在减少,sp2键及sp2团簇在逐渐增加。研究表明除了基片偏压,ta-C薄膜sp3键含量与制备工艺中磁过滤电流也具有及其密切的关联.因此,基片偏压与磁过滤器电流是ta-C薄膜制备中需要优化的工艺条件。优化和选择合适的基片偏压与磁过滤器电流对ta-C薄膜的大规模工业化生产应用具有极其重要的意义。

纳米金增强掺磷四面体非晶碳膜的电化学活性

采用电沉积法在过滤阴极真空电弧技术合成的掺磷四面体非晶碳(ta-C∶P)薄膜表面沉积纳米金团簇,制备纳米金修饰的掺磷非晶碳(Au/ta-C∶P)薄膜电极。利用X射线光电子能谱、拉曼光谱、扫描电子显微镜和电化学伏安法表征ta-C∶P和Au/ta-C∶P的微观结构、表面形貌和电化学行为。结果表明,-80V的脉冲偏压更利于磷原子进入碳的网络,并明显增加薄膜的电导率和电化学活性。纳米金团簇可增加ta-C∶P电极的有效面积,提高对铁氰化钾氧化还原反应的活性和电极可逆性,增强对多巴胺的催化活性。研究结果揭示ta-C∶P和Au/ta-C∶P薄膜在电分析及生物传感器方面的潜在应用。

膜厚对四面体非晶碳膜机械性能的影响

采用过滤阴极真空电弧技术以相同的工艺条件在p(100)单晶硅衬底上制备了不同厚度的四面体非晶碳薄膜,并利用表面轮廓仪测试薄膜的厚度和应力,利用纳米压入仪测试薄膜的硬度、杨氏模量和临界刮擦载荷.试验表明,在一定的扫描波形条件下,薄膜大约以0.7 nm/s的沉积速率稳定生长.随着膜厚的增加,薄膜的应力持续降低,当膜厚超过30nm时,应力将低于5GPa;当膜厚超过300nm时,硬度和杨氏模量分别将近70GPa和750GPa,已经十分接近体金刚石的性能指标.另外,随着膜厚增加所产生的应力变化,也导致了可见光拉曼光谱非对称宽峰的峰位逐渐向低频偏移.

以四面体非晶碳为布拉格反射栅高声阻抗材料的固贴式薄膜体声波谐振器性能仿真分析

为了提高固贴式薄膜体声波谐振器(SMR)的电学和声学品质,实现四面体非晶碳(ta-C)在体声波器件领域的新应用,建立了以ta-C为布拉格反射栅高声阻抗材料的SMR模型,利用MathCAD仿真研究布拉格反射栅层数对该SMR的谐振特性的影响以及ta-C中sp3杂化含量和高/低声阻抗层厚度偏差对SMR的品质因子(Q值)的影响。结果表明层数的增加提高了SMR的品质;ta-C薄膜sp3杂化含量越高,达到饱和Q值所需层数越少,当含量为80%时,至少需要6层(3对)布拉格反射层使SMR达到优异Q值;距离压电堆越近的高/低声阻抗层,其厚度偏差对Q值的影响越大,从而实现了高频率(8GHz)低损耗的SMR的设计。

Ni离子注入四面体非晶碳(ta-C)膜微观结构研究

高内应力是阻碍高性能超硬四面体非晶碳(tetrahedral amorphous carbon,ta-C)膜长厚和广泛应用的主要因素。为降低ta-C膜内应力,本文采用金属蒸汽真空弧(metal vapor vacuum arc,MEVVA)离子源注入技术,注入Ni离子到用磁过滤阴极真空弧(filtered cathodic vacuumarc,FCVA)沉积的ta-C膜中,制备出掺Ni膜(ta-C:Ni膜)。用XPS、XRD、Raman谱和SEM表征膜的微观结构。结果显示,膜sp3含量减小,发生了石墨化,石墨颗粒细化;Ni在膜中以单质Ni的形式存在,并且有Ni纳米晶体析出;膜表面均匀分布约10nm颗粒。对膜在结构上的变化作了讨论。

脉冲磁过滤阴极弧等离子体制备四面体非晶碳膜

介绍了脉冲磁过滤阴极电弧法制备四面体非晶碳膜 (tetrahedral am orphous carbon即 ta- C) ,并对制得的薄膜表面形貌、硬度、电阻等进行了测试。结果表明 ,脉冲磁过滤阴极电弧法制备的 ta- C膜有优良的性能。拉曼光谱分析显示 ,制得的薄膜为非晶结构 ,有明显的 sp3结构特征 ,符合 ta-

四面体非晶碳膜在牙科钴铬合金表面的制备及表征

目的:在牙科钴铬合金表面制备四面体非晶碳膜,并对薄膜质量进行表征评价。方法:制备直径12mm、厚2mm的牙科钴铬合金试件,采用阴极真空等离子电弧镀系统在试件表面制备四面体非晶碳薄膜,随后表征分析镀膜的表面形貌、元素成分、化学键组成。结果:钴铬合金试件镀膜的表面形貌和拉曼光谱曲线特征与四面体非晶碳膜一致,该薄膜由sp3键和sp2键碳原子组成,sp3键含量高于70%。结论:本实验的镀膜质量完全达到四面体非晶碳膜定义的制备标准。

掺硼四面体非晶碳膜的微观结构及光谱表征

分别采用过滤阴极真空电弧技术制备了不同含硼量四面体非晶碳(ta-C:B)膜,并用X射线光电子能谱(XPS)、Raman光谱对薄膜的微观结构和化学键态进行了研究.XPS分析表明薄膜中B主要以石墨结构形式存在,随着B含量的增加,sp^3杂化碳的含量逐渐减小,Ta-C:B膜的Raman谱线在含硼量较高时,其D峰和G峰向低频区偏移,且G峰的半峰宽变窄,表明B的引入促进了sp^2杂化碳的团簇化,减小了原子价键之间的变形,从而降低了薄膜的内应力.

激光脉冲能量对四面体非晶碳薄膜的结构及血液相容性的影响

采用脉冲激光方法制备了sp^3／sp^2不同比率的四面体非晶碳薄膜。利用拉曼光谱、紫外可见光谱等材料表征方法，研究了脉冲激光能量对四面体非晶碳薄膜的微结构及血液相容性的影响。结果表明：脉冲激光能量显著影响四面体非晶碳薄膜中sp^3／sp^2的比率，调控单脉冲激光能量范围为150-250mJ，可使薄膜的光学带隙从1．41～2．44eV发生变化。血小板粘附实验和动态凝血实验表明制得的薄膜具有优良的血液相容性。分析了四面体非晶碳薄膜的抗凝血机理。

四面体非晶碳作为薄膜声表面波器件增频衬底的研究

为了提高薄膜声表面波器件工作频率,并增强功率承受能力,采用过滤阴极真空电弧技术制备四面体非晶碳(ta-C)薄膜,用作IDT/ZnO/Si结构的增频衬底。通过解析层状结构声表面波传播状态方程,对IDT/ZnO/ta-C/Si声表面波器件进行优化设计,计算表明,随着ta-C层厚的增加,其增频作用愈加明显,且在层厚较薄时增幅较大,当膜厚超过一定程度,增幅趋缓。利用网络分析仪测试频率响应特征,利用纳米压痕测试薄膜硬度,并利用可见光Raman和XPS表征薄膜的结构。实验表明,ta-C膜层对IDT/ZnO/Si结构声表面波滤波器起到了明显的增频作用,膜厚越大,增幅越高,测试规律与计算结果吻合良好,ta-C能够代替化学气相沉积多晶金刚石用作薄膜声表面波器件的增频衬底。

刻蚀工艺对四面体非晶碳膜生长及其性能的影响

目的研究不同等离子体刻蚀工艺对基体和四面体非晶碳膜(ta-C)的影响,并进一步考察不同电弧等离子体刻蚀时间对ta-C薄膜结构的影响。方法采用自主设计研制的45°单弯曲磁过滤阴极真空电弧镀膜设备,进行不同等离子体刻蚀以及ta-C薄膜的沉积。使用等离子体发射光谱仪表征离子种类及其密度,使用椭偏仪表征薄膜厚度,原子力显微镜表征刻蚀后的基体粗糙度,拉曼光谱仪和XPS表征薄膜结构,TEM分析薄膜的膜基界面结构。结果辉光刻蚀工艺中,作用的等离子体离子以低密度的Ar离子为主;而电弧刻蚀时,作用的等离子体离子为高密度的Ar离子和少量的C离子,并且能够在基体表面形成约15 nm的界面层,并实现非晶碳膜(a-C)的预沉积。随电弧等离子体刻蚀时间增加,ta-C薄膜的sp3含量有所降低。结论相比于辉光刻蚀,电弧刻蚀利于制备较厚的ta-C薄膜。这主要是因为电弧刻蚀时,基体表面形成良好的界面混合层,并预沉积了非晶碳膜,形成a-C/ta-C的梯度结构,有助于增强膜基结合力。

不同厚度四面体非晶碳薄膜的高通量制备及表征

材料基因组工程能大幅度提高材料研发速度,降低材料研发成本,近年来受到广泛关注。本研究采用高通量制备工艺,结合碳等离子体束流和基片位置的调控,利用自主设计研制的45°双弯曲磁过滤阴极真空电弧设备,沉积了厚度为4.7～183 nm的系列四面体非晶碳(ta-C)薄膜,使用椭偏仪、原子力显微镜、拉曼光谱仪和X射线光电子能谱仪(XPS)表征了厚度对ta-C薄膜表面粗糙度、微结构和原子键态的影响。结果表明:通过碳等离子体束流和基片位置的调控,实现了不同厚度ta-C薄膜的高通量制备。尽管膜厚不同,所制备的ta-C薄膜均具有几乎不变的光滑表面(R_a=(0.38±0.02) nm)和色散值(Disp(G)),说明不同厚度ta-C薄膜的sp^3含量、sp^2团簇尺寸保持相对稳定。XPS结果进一步证实ta-C薄膜的sp3相对含量均维持在(55±5)%。此外,不同厚度ta-C薄膜的光学带隙E_(opt)均保持在(1.02±0.08)eV。相关结果为设计制备结构和光学性能可控的不同厚度ta-C薄膜提供了一种新思路。

基体负偏压对四面体非晶碳膜结构和性能的影响

采用自主研制的45°单弯曲磁过滤阴极电弧沉积系统于Si基体表面制备了四面体非晶碳(ta-C)膜,研究了基体负偏压对薄膜沉积速率、成分、力学性能及摩擦学性能的影响规律。结果表明,随基体负偏压升高,ta-C膜sp3键含量呈先增后减的变化趋势,在-50V时达到最大值(约64%);其硬度和弹性模量呈相似的变化规律,在-50V偏压下获得最大值(48.22GPa和388.52GPa)。ta-C薄膜的摩擦学性能与其sp3碳杂化键的含量密切相关,在-50V偏压下制备的薄膜具有最小平均摩擦因数值(0.10)。可见,采用单弯曲磁过滤阴极弧电弧制备ta-C薄膜的力学和摩擦学特性主要受薄膜中sp3键含量的制约。

真空阴极多弧离子镀不同厚度四面体非晶碳薄膜的结构和性能

以真空阴极多弧离子镀技术在P(100)型单晶抛光硅衬底和YG6硬质合金上制备了四面体非晶碳(ta-C)薄膜。用扫描电镜(SEM)测量薄膜厚度,并观察其表面及断面形貌;用X射线衍射仪(XRD)分析薄膜的相组成;用拉曼光谱标定薄膜中的sp3键和sp2键;用轮廓仪测量薄膜的表面粗糙度;用划痕法和压痕法测试了膜/基结合强度。在0.5~1.5μm的厚度范围内,随着ta-C薄膜厚度增加,薄膜的sp3键含量逐渐降低,表面碳颗粒数量及尺寸逐渐增加,与YG6基体的结合强度不断降低。0.5μm厚的ta-C薄膜具有最小的表面粗糙度(0.17μm),最高的结合强度(剥离时的临界载荷为61 N,压痕等级为HF2),表现出最优的综合力学性能。

氩气流量对四面体非晶碳膜结构和摩擦性能的影响

利用自主研制的45°单弯曲阴极电弧沉积系统,通过改变Ar流量（2,5以及10 ml/min）,在p型（100）硅基底上制备了四面体非晶碳膜。借助表面轮廓仪测定薄膜厚度和粗糙度变化;采用X射线光电子谱获得薄膜微结构信息,利用残余应力仪和摩擦磨损试验机测定薄膜的内应力和摩擦学性能。实验结果表明：随Ar流量增加,薄膜的沉积速率降低,表面趋于光滑;薄膜中sp3含量由2 ml/min时的68%下降至10 ml/min时的55%;薄膜应力值随Ar流量的增大而减小,在10 ml/min处取得最小值;不同Ar流量条件下所制备薄膜的摩擦系数在0.024-0.045之间,且随Ar流量增加而增大。

硼掺杂四面体非晶碳薄膜的光学特性研究

采用过滤阴极真空电弧技术制备了不同硼含量的掺杂四面体非晶碳薄膜(ta-C:B)。使用椭偏仪和紫外-可见光分度计测试了薄膜的折射率、消光系数、透过率和反射率。结果表明,硼含量小于2.13%时,硼含量增加,薄膜折射率缓慢增大;消光系数基本保持不变。当硼含量继续增加到3.51%和6.04%时,折射率分别迅速增加至2.65和2.71,相应的消光系数增大至0.092和0.154;而薄膜的光学带隙从2.29eV缓慢减小至1.97eV,后又迅速降至1.27eV。同时ta-C:B膜的透过率逐渐减小,反射率逐渐增大,表明硼的掺入降低了薄膜的透光性能。ta-C:B膜光学性能的变化,除了与sp3杂化碳的含量有关外,还取决于薄膜中sp2杂化碳的空间分布特点。

无氢四面体非晶碳膜在海水中的摩擦学性能

为了开发能直接应用于海洋环境的自润滑材料,在不锈钢表面制备无氢四面体非晶碳(ta-DLC)膜,分别测试和比较ta-DLC膜在海水、水和油中的摩擦学性能。结果表明:ta-DLC膜在海水中的摩擦系数小于0.1,磨痕最窄且浅,表现出最优异的摩擦学性能,其水中摩擦学性能略差于其海水中摩擦学性能,在油中摩擦学性能最差。ta-DLC膜在海水润滑领域具有广阔应用前景。