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-

脉冲偏压磁过滤电弧离子镀TiN薄膜的组织结构及耐磨性研究

利用脉冲偏压磁过滤电弧离子镀在高速钢(M2)基底上沉积了厚约2.5μm的TiN薄膜;分别采用FESEM、GDOES、XRD和划痕试验法观察薄膜表面和断面形貌、测试薄膜成分及相结构,分析膜基结合强度,通过显微硬度计和球盘摩擦磨损试验机对比考察TiN薄膜和M2高速钢基体的硬度和耐磨性。结果表明,TiN薄膜表面光滑致密,呈现致密柱状晶结构和明显的(111)择优取向,膜基结合强度大于60 N,薄膜硬度约为26 GPa;脉冲偏压磁过滤电弧离子镀制备的TiN薄膜表现出很好的减摩和耐磨性能。

脉冲磁过滤阴极弧沉积中基片台悬浮电位研究

通过测量脉冲磁过滤阴极弧等离子体沉积系统中的基片台悬浮电位,发现了弧源接地方式对基片台悬浮电位与等离子体电位影响很大。当阳极接地时基片台悬浮电位可达-60V,而弧源悬浮时却只有-5V。因此,要获得相似沉积条件的沉积薄膜,弧源接地方式不同,给基片施加偏压也应有所不同。

磁过滤阴极真空弧法制备类金刚石膜的场致发射特性研究

采用磁过滤阴极真空弧沉积法,在Cu基底表面上制备了以钛(Ti)和碳化碳(TiC)作为过滤层的类金刚石膜层。利用自制的场致发射特性测试设备,研究了类金刚石膜层的场致发射特性。利用拉曼光谱仪(Raman)和扫描电子显微镜(SEM)等分析方法对类金刚石膜的键合结构和微观形貌进行了表征。研究发现,利用磁过滤阴极真空弧沉积法可以在沉积温度100℃下制备膜基结合力较好的类金刚石膜。沉积速率为15 nm/min。类金刚石膜具有较好的场致发射特性,开启电压约为40 V/μm。Raman分析得到不同基底偏压下的类金刚石膜的ID/IG为1.19~1.57;SEM分析显示薄膜的微观结构上具有微米级突起结构。实验表明,应用磁过滤阴极真空弧方法可以制备出高sp3含量、表面具有微米级突起的类金刚石膜,这种类金刚石膜具有有利于场致发射的特性。

脉冲偏压磁过滤电弧离子沉积(Ti,Al)N薄膜的研究

利用脉冲偏压磁过滤电弧离子沉积技术在不同负偏压下制备了(Ti,Al)N薄膜,通过扫描电子显微镜、XP-2台阶仪、纳米压痕仪和X射线衍射仪分别测试分析了脉冲偏压与磁过滤共同的作用对薄膜的微观结构、成份、薄膜厚度、显微硬度和晶体结构的影响规律。实验结果表明,在基体上施加脉冲偏压和在电弧蒸发源上使用磁过滤技术,可改善所制备薄膜的组织结构、提高其综合力学性能。通过对在不同负偏压下所制备的样品的综合力学性能的测试分析可得出:在负偏压为200V时制备的样品综合力学性能最好。

磁过滤真空阴极电弧技术弧电流对四面体非晶碳薄膜性能的影响

研究了磁过滤阴极真空电弧技术中不同弧电流(20~100 A),制备的四面体非晶碳薄膜性能的影响。通过对薄膜厚度、薄膜硬度、表面形貌以及sp3键含量随弧电流的变化结果进行了测试。结果表明,当弧电流从20增大至100 A,表征薄膜sp杂化碳含量的ID/IG从0.212增加到1.18,显示制备薄膜的sp3键含量逐渐减少,同时sp2键在逐渐增加。随着弧电流值上升,薄膜硬度增加,表明其值与弧电流值呈正相关性,高的弧电流使通过磁过滤器的大颗粒等离子体数增加,从而薄膜表面形貌易于沉积大颗粒,导致薄膜表面质量下降。因此,选择合适的弧电流值可优化Ta-C薄膜制备工艺,本文研究内容为工业应用中通过弧电流调整优化膜层综合性能提供参考。

新型双弯曲磁过滤阴极真空电弧沉积系统的磁场模拟计算

本文用ANSYS软件对新型的45°双弯曲磁过滤阴极真空电弧沉积系统中的磁场分布进行了模拟计算,并结合等离子体传输和电弧源弧斑运行稳定性进行了分析。在建立的数学模型基础上,分别研究了磁过滤弯管磁场空间分布对拟定的不同出射方向上的111个碳离子束的传输行为影响,和外加永久磁体对电弧源附近磁场空间分布的影响。结果表明,在优化的磁过滤弯管磁场空间分布情况下,111个碳离子束流可全部通过磁过滤弯管,并高效传输到基材表面。当电弧靶源后部的外加永久磁体磁化方向与弯管上的磁化方向相反,且磁矫顽力大于600 kA/m时,阴极靶弧源附近的磁力线空间分布更利于控制阴极弧斑长时间运行稳定性,这对延长弧斑寿命、提高等离子体的沉积效率、提高靶材表面刻蚀均匀性和获得高性能的ta-C薄膜生长具有重要理论意义。

磁过滤阴极真空弧法制备纳米nc-ZrCN/a-C:H(N)复合薄膜

采用磁过滤阴极弧法,以金属Zr为阴极在真空室中通入C2H2和N2混合气体来制备纳米nc-ZrCN/a-C:H(N)复合薄膜,用X射线衍射(XRD)、扫描电镜的能谱仪(SEM-EDS)、X射线电子能谱(XPS)和纳米力学探针研究了薄膜的成分、结构及其性能。实验结果表明薄膜是由ZrCN和无定形碳两种纳米结构组成;气体流速对复合膜的的成分和结构有显著影响:随着混合气体流速的增加,薄膜的锆原子百分比减小,而N和C的含量逐渐增大,薄膜的硬度逐渐减小,ZrCN峰强度逐渐降低。

激光引弧磁过滤真空阴极电弧制备ta-C薄膜的结构与性能

采用自主研制的激光引弧磁过滤真空阴极电弧沉积设备在不同工件台转速下制备了四面体非晶碳膜,通过改变工件台转速调节沉积速率,探讨了沉积速率对四面体非晶碳膜结构与性能的影响。结果表明,随着沉积速率的增加,四面体非晶碳膜硬度及弹性模量随sp3键含量变化先增加后减小,最大值分别为48 GPa和300 GPa。薄膜的摩擦因数受沉积速率影响不大,均在0.14左右。薄膜的磨损率随着沉积速率的增加逐渐降低,最小为6×10-16 m3(/N·m)。研究发现在一定范围内调节沉积速率可以有效地提高四面体非晶碳膜的力学性能及耐磨性能。

氧气流量对于磁过滤阴极真空弧法制备ZrO_(2)薄膜特性的影响

ZrO_(2)薄膜具有高硬度、高耐磨性等优良特性,在诸多领域具有广泛的应用前景.高品质ZrO_(2)薄膜的制备一直是科学家们研究的一个重点和热点问题.本文利用磁过滤阴极真空弧(FCVA)技术,以金属Zr为阴极,在单晶硅(100)衬底上制备高品质ZrO_(2)薄膜,利用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、X射线电子能谱(XPS)和纳米力学探针对薄膜的结构、形貌、成分及其性能进行表征,研究了O_(2)流量对于ZrO_(2)薄膜的晶体结构、形貌、成分以及力学性能的影响规律,获得了结晶品质良好、表面平滑且硬度较高的ZrO_(2)薄膜.

磁过滤阴极真空弧法制备纳米nc-ZrCN/a-C:H(N)复合膜

采用磁过滤阴极真空弧法,以C2H2和N2混合气体为反应气体在单晶硅上沉积纳米nc-ZrCN/a-C:H(N)复合膜,用X射线衍射(XRD)、扫描电镜的能谱仪(SEM-EDS)和X射线电子能谱(XPS)研究了薄膜的成分和结构.实验结果表明薄膜结构是由ZrCN晶粒镶嵌在无定形碳和碳氮化合物基体中;膜中的化合键主要以Zr—C,C C(sp2)和C—C(sp3)形式存在;随着混合气体流量的增加,薄膜的锆原子分数减小,而N和C的原子分数逐渐增大.

磁旋转电弧中热阴极弧根形态的实验研究

阴极弧根形态对电弧状态和电极损耗有着重要影响。在同轴电极磁旋转电弧等离子体发生器中,利用高速CCD观察了阴极弧根斑点形态随外加轴向磁场的演化过程,采用双波长法从CCD影像得到阴极端面温度分布;利用水冷电探针对近阴极区等离子体参数进行诊断,得到了阴极附近电子温度及阴极区位降。实验结果表明:(1)在50 A电弧电流下,随着轴向磁场从0.01 T增加到0.02 T,阴极端面最高温度下降,阴极弧根斑点增大,阴极附近等离子体电子温度逐渐降低,阴极弧根为收缩模式;(2)在100 A电弧弧电流下,轴向磁场从0.01 T增加至0.015T,阴极状态变化趋势与前相同;(3)在100 A电弧弧电流下,当轴向磁场增大到0.02 T时,弧根斑点弥散均匀,阴极区位降明显升高,阴极弧根模式由收缩模式转变为扩散模式。分析认为,磁旋转电弧中弧根模式的转变是一个突变的过程。

直流磁过滤电弧源沉积氧化铝薄膜的研究

采用直流磁过滤电弧源技术,在K9玻璃基底上制备氧化铝薄膜,研究了沉积时的氧气分量和阴极靶电流对薄膜折射率、沉积速率、消光系数和表面粗糙度的影响。结果表明:薄膜折射率、沉积速率和消光系数均随着氧气分量的增加而降低,随着阴极靶电流的升高而增加;薄膜表面粗糙度则随氧气分量或阴极靶电流的增加,呈先减小、后增大的趋势。分析认为,主要是因为随着氧气分量和阴极靶电流的变化,基底表面铝原子和氧气的比例发生了改变,进而影响到薄膜的相关性能。

电弧源薄膜制备磁过滤系统电磁场模块调整的研究

电弧源薄膜制备具有高离化率、高离子能量和高沉积速率的特点,但是"大颗粒"问题严重影响着薄膜的质量。文中采用YBHИΠA-1-001型硬质镀膜机,研究分析了磁过滤系统中的偏移磁场、聚焦磁场、稳弧磁场及其相互作用。针对阴极靶材周围的电磁场的作用,本文采取大量实验观察分析,最终得到如下结论:通过偏移磁场幅值的调整,阴极靶材表面放电区域从靶材表面一侧向另一侧移动;而聚焦磁场则主要影响靶材表面放电区域的大小,稳弧磁场主要影响阴极弧斑在靶材表面运动的稳定性。

新型多弧磁过滤系统对TiAlN薄膜的组分调控

针对磁过滤阴极真空电弧沉积技术制备多元复合薄膜的不足,设计研制一种新型的多弧磁过滤系统。该多弧磁过滤系统由两个支线管和一个干线管组成"Y"型的三通管结构。通过有限元分析和试验测量确定该新型多弧磁过滤器的最佳运行参数为:支线管和干线管的长度分别为180和230 mm,内径为200 mm。支线管和干线管的磁场强度分别为40和90 mT。采用该新型多弧磁过滤系统制备TiAlN多元复合薄膜,结果表明:该新型多弧磁过滤系统可实现多元复合薄膜的组分调控,并且膜层的表面形貌光洁,膜层元素分布均匀。

探讨电弧离子镀中“大颗粒”净化方法

传统电弧离子镀存在着大颗粒污染、沉积温度相对较高和易引发微弧击穿效应等诸多不足,制约其在精细薄膜、低温沉积和功能薄膜等方面的应用。本文简要介绍了电弧离子镀中大颗粒的形成机理,旨在探讨用磁场控制、脉冲电弧、磁过滤及脉冲偏压等方法来减少大微粒污染及其作用机理。

磁过滤器电流对非晶碳薄膜摩擦学特性影响的研究

研究了过滤阴极真空电弧技术中,不同的磁过滤器电流下(5—13A),制备的四面体非晶碳(ta-C)薄膜对摩擦学特性的影响.通过对薄膜厚度,薄膜结构以及薄膜表面粗糙度随磁过滤电流的变化结果进行了测试,结果表明,随着磁过滤器电流的增大,薄膜的sp3键含量逐渐减少,表面粗糙度从0.13增大到0.38.磁过滤器电流在5A时,薄膜的摩擦系数最小约为0.08,当电流增大到7A时,摩擦系数显著增大,磁过滤器电流从7A增大到13A时,薄膜的摩擦系数再次减小约为0.1.

调制比对多层DLC薄膜性能的影响

针对DLC薄膜内应力大,膜基结合强度较差的问题。本文通过磁过滤真空阴极电弧设备,沉积不同偏压下的单层DLC薄膜,并以此为基础控制沉积多层DLC薄膜时各个阶段的偏压,镀制不同调制比下三层结构的DLC薄膜,最终使用纳米压痕划痕仪测试薄膜硬度、弹性模量和膜基结合强度,探讨了不同调制比对DLC薄膜机械性能的影响。实验结果表明:多层DLC薄膜硬度、弹性模量和膜基结合强度明显优于单层DLC薄膜。当多层DLC薄膜的调制比为1∶1∶8时薄膜硬度达到最大值70.14 GPa,薄膜弹性模量达到最大值794.8 GPa;当多层DLC薄膜的调制比为2∶2∶6时薄膜膜基结合强度较好,在最大划痕载荷25 mN的条件下,划痕的位移深度仅为57.3 nm,且薄膜硬度平均可达66.7 GPa,具有较好的综合性能。

椭偏法表征四面体非晶碳薄膜的化学键结构

采用自主研制的双弯曲磁过滤阴极真空电弧(FCVA)技术,在不同衬底负偏压下制备了四面体非晶碳(ta-C)薄膜。通过分光光度计和椭偏(SE)联用技术精确测量了薄膜厚度,重点采用椭偏法对不同偏压下制备的ta-C薄膜sp3 C键和sp2 C键结构进行了拟合表征,并与X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱的实验结果相对比,分析了非晶碳结构的椭偏拟合新方法可靠性。结果表明,在-100V偏压时薄膜厚度最小,为33.9nm;随着偏压的增加,薄膜中的sp2 C含量增加,sp3 C含量减小,光学带隙下降。对比结果发现,椭偏法作为一种无损、简易、快速的表征方法,可用于ta-C薄膜中sp2 C键和sp3 C键含量的准确测定,且在采用玻璃碳代表纯sp2 C的光学常数及拟合波长选取250～1700nm时的椭偏拟合条件下,拟合数值最佳。