中频磁控溅射制备a-C∶H(Al,W)薄膜及其性能研究

采用中频磁控溅射技术，以w、Al复合靶（面积比为1：1）为靶材，在氩气和甲烷混合气体中于iq（100）型单晶硅表面沉积了一系列Al、w共掺杂含氢非晶碳[a-c：H（Al，w）]薄膜．分析了不同甲烷流量对薄膜成分、结构和表面形貌的影响，并表征了薄膜的力学性能和摩擦磨损行为．结果表明：随着甲烷流量的增加，薄膜中C含量呈上升趋势，而w和Al含量均呈现递减趋势，过高流量的CH。会导致金属靶材中毒．薄膜中的sp^2C和sp^3c含量受w、Al以及H注入效应的共同影响．所制备的薄膜表面均较为平滑，表面粗糙度（RMS）在0．39～0．48nm范围内．薄膜的纳米硬度（日）在9．98-11．37GPa之间，弹性模量（E）介于71～93．36GPa之间，弹性恢复系数均在70％以上．当薄膜中w和Al的原子百分含量分别为3．74％和2．37％时，H／E值和H^3／E^3值分别为0．141和0．198，且此时薄膜在大气环境下表现出较好的减摩抗磨性能．薄膜具有适度的sp^3C／sp^2c比值、优异的弹性形变性能、摩擦过程中对偶球表面形成连续而致密的转移层等因素是薄膜具有良好摩擦学性能的重要原因．

离子源功率对a-C:H(Al)薄膜结构及性能的影响

目的研究离子源功率对a-C:H(Al)薄膜结构及性能的影响。方法采用阳极离子源离化CH_4气体,中频磁控溅射Al靶,通过改变离子源功率,在n(100)型单晶硅及16Mn Cr5钢基体上沉积a-C:H(Al)薄膜。利用扫描电镜、维氏显微硬度计、摩擦磨损试验机和表面轮廓仪等设备对a-C:H(Al)薄膜的结构及性能进行表征。结果薄膜的硬度均在1000HV以上。摩擦系数较低,为0.05~0.15。离子源功率为450 W时,薄膜摩擦系数和结合力均出现了最优值,分别为0.05和21.46 N。离子源功率在550 W时,磨损率达到最低值,为3.59×10^(-7) mm^3/(N·m)。结论离子源功率较低时,薄膜表面较疏松,随着离子源功率的增加,薄膜逐渐趋于平整致密。随离子源功率的增加,薄膜的硬度增大,薄膜的结合力先增大后减小,而薄膜的摩擦系数先减小后增大,磨损宽度减小,磨损深度降低,磨损率减小。

Al/a-Si∶H复合薄膜的电导性能

采用真空热蒸发与PECVD方法 ,在经特殊设计的“单反应室双沉积”设备中沉积了Al/a Si∶H复合薄膜 ,并利用扫描电子显微镜、X射线衍射、Raman及X射线光电子谱等方法对复合薄膜在不同Al层厚度和不同温度退火后的晶化及电导行为进行了研究 .结果表明 ,Al/a Si∶H复合薄膜在不高于 2 5 0℃的退火条件下即开始出现硅的晶体相 .退火温度越高 ,Al层越厚 ,形成多晶硅的量越多 .Al/a Si∶H复合薄膜的电导率受Al原子在a Si∶H中掺杂效应的影响 ,比纯a Si∶H薄膜的大 .随着硅晶体相在复合薄膜中的生成 ,复合薄膜的电导率受晶相比控制 ,晶相比增加 ,电导率增大 .

γ辐照对a-C:H薄膜微观组织、力学性能及摩擦学性能的影响

近年来随着核能及其核装备的发展,辐照环境下高能粒子对润滑材料服役行为的影响受到越来越多的关注.本研究利用自行设计研制的磁控溅射系统制备a-C:H润滑薄膜,并对其进行伽马(γ)辐照处理.考察γ辐照康普顿效应对a-C:H薄膜微观组织、力学性能和摩擦学性能的影响.结果表明:经γ辐照后a-C:H薄膜存在由sp^(2)杂化C原子结构向sp^(3)杂化C原子结构转变的趋势,且辐照使得C-H键发生断裂,薄膜内H原子的键合能降低.伽马辐照使得aC:H薄膜的纳米机械性能显著提高,辐照样品的残余应力也随辐照剂量呈增加趋势.此外,γ辐照也使得a-C:H薄膜的摩擦系数和磨损率轻微增加.综合分析可知,γ辐照在测试剂量范围内对a-C:H薄膜的摩擦性能影响有限,但辐照诱发应力的增加是限制其在核环境中应用的主要因素.

基于动力学标度法的a-C:H薄膜表面微观形貌的演变机理研究

采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在Si(111)基底上制备a-C:H薄膜,利用原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)对a-C:H薄膜的表面形貌与表面粗糙度进行表征,并从动力学标度法角度出发讨论a-C:H薄膜表面粗糙度的演变机理。研究结果表明:a-C:H薄膜表面微观形貌为自仿射分形表面,可用分形维数来评价薄膜的表面粗糙度;随着H_2流量的增加,薄膜表面粗糙度先减小后增大,在T_2B与H_2流量比为0.2/6时,a-C:H薄膜的表面粗糙度R_q为2.2nm,相对于其他条件下生长的薄膜的表面粗糙度低,薄膜表面较光滑,致密性良好。

直流反应磁控溅射沉积a-C:H薄膜的微结构和摩擦磨损行为

采用直流的反应磁控溅射技术,以高纯石墨为溅射靶材和CH_4为反应气体,调节CH_4流量,在p(100)单晶硅和不锈钢基底上成功制备出系列的含氢a-C:H薄膜.利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、Raman光谱、纳米压痕仪、CSM划痕测试仪、摩擦磨损试验机等测试手段对所制备含氢a-C:H薄膜的微结构、力学性能和摩擦磨损行为进行系统表征.结果表明:随着CH_4流量的增加,含氢a-C:H薄膜的致密度呈现出微弱的先增加后减小的趋势;薄膜的沉积速率随着CH_4流量的增加逐渐增加,但增幅呈现出逐渐减小趋势;随着CH_4流量的增加,薄膜中sp^3杂化键含量及其纳米硬度和杨氏模量也呈现出先增加后减小的规律;摩擦实验结果表明当CH_4流量为8 sccm,所制备的含氢a-C:H薄膜的摩擦学性能最佳,摩擦系数为0.20,磨损率为6.48×10^(-7)mm^3/(N·m).

H/Al共掺杂对ZnO基透明导电薄膜光电性质和晶体结构的影响

利用H在ZnO中作为浅施主杂质的特性,研究了H掺杂对ZnO∶Al透明导电薄膜特性的影响。通过降低ZnO∶Al中Al的含量并同时引入H掺杂,解决了透明导电薄膜中高导电性与高透过率之间的矛盾。H的掺杂可以显著降低ZnO基透明导电薄膜的电阻率,这是由于H一方面作为施主可以提供电子从而提高了自由载流子浓度;另一方面与ZnO晶界中的O-结合降低了晶界势垒,提高了载流子迁移率。利用H掺杂,可以在Al掺杂量降低10倍的情况下,仍然能获得低电阻率(6.3×10-4Ω·cm)的透明导电薄膜,同时其近红外波段(1 200 nm)透光率从64%提高到90%。这种具有高导电性和高透光性的透明导电薄膜可以应用于各类薄膜太阳能电池中以提升器件效率。

rf-dc PECVD制备的a-C∶H(N)薄膜的结构分析

采用射频－直流等离子增强化学气相沉积技术用Ｃ２Ｈ２和Ｎ２气的混合气体制备出ａ－Ｃ∶Ｈ（Ｎ）薄膜，用ＴＥＭ、红外谱、ＸＰＳ等多种分析测试手段研究了薄膜的结构。结果表明ａ－Ｃ∶Ｈ（Ｎ）薄膜中Ｎ与Ｃ原子可形成ＮＣ、ＣＮ和ＮＣ键，而碳氢原子主要以ＣＨ２基的形式存在。且薄膜中存在具有理想化学配比的Ｃ３Ｎ４相。

a-C:H薄膜组成及结构

含氢非晶碳(a-C∶H)薄膜主要由SP3C、SP2C 和H 3种“元素”组成，在它们的三 元相图中，a-C∶H 薄膜具有特定的组成区域。由于IR 分析法对SP3C/SP2C 分析存在着系 统误差，因而导致所得结构偏离该组成域。通过对IR 法的结果分析发现，SP3C 含量偏高， SP2C含量偏低；a-C∶H 薄膜中SP2C 主要以非质子化形式存在，其含量可高达67 ％；质子 化的SP2C仅占SP2C 总量的10 ％左右。a-C∶H 薄膜是受到较高约束的空间立体网络结构。

a-C: H(N)薄膜的生物相容性

采用射频－直流等离子增强化学气相沉积法用Ｃ２Ｈ２与Ｎ２的混合气体制备了ａ－Ｃ：Ｈ（Ｎ）薄膜，用动物急性实验法和细胞毒性实验法研究了ａ－Ｃ：Ｈ（Ｎ）薄膜的生物相容性。结果表明，ａ－Ｃ：Ｈ（Ｎ）薄膜的生物相容性优于常用生物材料纯Ｔｉ，且能为细胞的生长提供合适的生长表面。

a-C:H(N)薄膜的慢正电子分析

采用C2H2和N2的混合气体在单晶Si衬底上用射频一直流等离子化学气相沉积法制备a－C：H（N）薄膜，用Fourier红外谱研究了a-C：H（N）薄膜的结构。用慢正电子湮没技术研究了类金刚石薄膜中缺陷的深度分布以及N的百分含量对薄膜中缺陷浓度和缺陷类型的影响。Fourier红外测试结果表明，a－C：H（N）薄膜中氮含量随混合气体中N2百分含量的升高而增大，薄膜中碳氮原子形成C≡N键。慢正电子分析表明．单晶Si衬底具有很高的缺陷浓度，类金刚石薄膜中的缺陷浓度较低，且缺陷均匀分布，薄膜表面存在一缺陷浓度较高的薄层，而膜一基之间存在一很宽的界面层。a-C：H（N）薄膜的缺陷浓度随N含量的增加而增大，但含饲量不改变薄膜中的缺陷类型。

真空退火对a-C:F:H薄膜的结构与光学带隙的影响

使用CF4和CH4为源气体 ,利用射频等离子体增强化学气相沉积 (RF PECVD)法制备了掺氟非晶碳 (a C :F :H)薄膜 ,并在N2 气氛中进行了不同温度的退火。用原子力显微镜 (AFM)观察了薄膜在退火前后表面形貌的变化 ,发现退火后薄膜表面变得平坦 ,疏松。用紫外 -可见光透射光谱 (UV VIS)并结合傅里叶变换红外光谱 (FTIR)和喇曼 (Raman)光谱对薄膜进行了分析 ,获得了薄膜化学键结构和光学带隙的变化情况 ;发现薄膜的化学键结构和光学带隙与真空退火密切相关 ,高温退火后薄膜化学键结构 :CHx(x=1,2 ,3下同 )、F -芳基、CF2 和CF等基团的含量改变 ;薄膜的光学带隙决定于CHx、退火后CHx 含量减少导致薄膜光学带隙的减小。

304不锈钢表面Cr/a-C:H薄膜的制备及其抗腐蚀性能

采用直流反应磁控溅射技术在304不锈钢表面制备Cr/a-C:H薄膜进行表面改性,有望提高其在NaCl溶液中的耐蚀性能。采用Raman光谱仪、X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)研究了Cr/a-C:H薄膜的微观结构和表面形貌;利用接触角测量仪和动电位极化曲线研究了304不锈钢表面沉积Cr/a-C:H薄膜前后的润湿性和抗腐蚀性能。结果表明:所制备薄膜为Cr_3C_2纳米晶镶嵌非晶碳的典型纳米晶/非晶复合薄膜;薄膜表面光滑、结构均匀致密;沉积Cr/a-C:H薄膜后304不锈钢表面由亲水性转为疏水性,水接触角达到95°;在3.5%NaCl溶液中304不锈钢表面沉积Cr/a-C:H薄膜体系的自腐蚀电位约为-0.06 V,腐蚀电流密度为2.95×10^(-8)A/cm^2,极化电阻为14.07×10~5Ω·cm^2,相比于表面无薄膜防护的304不锈钢,该体系的抗腐蚀性能得到明显提升。

Ar/CH_4流量比对a-C∶H薄膜沉积速率及性能的影响

为研究气体流量比对非平衡磁控溅射沉积含氢类金刚石薄膜(Diamond-Like Carbon,DLC)沉积速率及性能的影响,在不同Ar/CH4流量比条件下将a-C∶H沉积在单晶硅基底,采用傅里叶红外光谱、椭偏仪、表面轮廓仪对薄膜的沉积速率、光学特性及表面粗糙度进行研究.实验结果表明:引入甲烷气体后,非平衡磁控溅射沉积a-C∶H薄膜沉积速率大幅度提高;在3～5μm波段硅基底上镀制a-C∶H膜具有良好的红外增透特性,薄膜峰值透射率明显受到Ar/CH4流量比的影响,Ar/CH4流量比1∶3时,制备的a-C∶H峰值透过率可达69.24%;a-C∶H薄膜的折射率和消光系数随着CH4流量的增加而增大;a-C薄膜的粗糙度要优于a-C∶H薄膜,a-C∶H薄膜的粗糙度随厚度的增加而变大.

溅射能量对WC/a-C：H薄膜结构与性能的影响

为探究溅射能量对WC/a-C:H薄膜结构与性能的影响,并讨论WC掺杂对a-C:H薄膜的影响。通过非平衡磁控溅射+等离子体增强化学气相沉积法(UBMS+PACVD),以WC靶作为溅射靶,C_2H_2为反应气体,通过调制溅射靶电流,在316不锈钢基体上制备WC/a-C:H系列薄膜。用场发射电镜、透射电镜、X射线衍射仪、XPS、拉曼光谱等对薄膜的微观结构和成分进行表征,用划痕仪、纳米硬度仪测试了薄膜的力学性能,用多功能摩擦机对薄膜的摩擦学性能进行分析。结果表明:WC主要以β-WC_(1-x)纳米晶的形式均匀分布在非晶碳中,随着溅射靶电流的上升,薄膜中W含量和膜基结合力呈上升趋势,在11A时上升至21.9%(摩尔分数)和18.6 N,而I_D/I_G比值和硬度逐渐降低至0.55和11 GPa。溅射靶电流为4 A时,WC/a-C:H薄膜表现出较好的磨损性能,摩擦因数低至0.15,磨损率为5.38×10^(-7) mm^3/(N?m)。

H_2流量对直流磁控溅射低温沉积ZnO:Al薄膜结构与性能的影响

在Ar和H2的混合气氛下采用直流磁控溅射在玻璃衬底上低温沉积Al掺杂ZnO,即ZnO∶Al透明导电薄膜,研究H2流量(0～10sccm)对薄膜结构、形貌、光学和电学性能的影响。结果表明:不同H2流量下制备的ZnO∶Al薄膜均为高度C轴取向的六角纤锌矿结构,溅射过程中通入适量的H2能改善ZnO∶Al薄膜的结晶质量和表面形貌;所有薄膜在400～900nm范围内的平均透过率均高于85%;随着H2流量的增大,薄膜的载流子浓度升高,电阻率减小,达到10-4Ω.cm数量级。

乳化液环境中WC/a-C:H薄膜摩擦行为的研究

采用等离子体增强化学气相沉积复合磁控溅射法制备了WC/a-C:H薄膜.使用X射线衍射仪、扫描电镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱和透射电镜表征了薄膜结构和组成,并使用球盘往复摩擦试验机测试薄膜在不同体系乳化液环境中的摩擦学性能.结果表明:WC/a-C:H薄膜具有典型的类金刚石结构,WC以β-WC1-x相的形式存在. WC在碳基薄膜中的掺杂使WC/a-C:H薄膜的硬度和弹性模量分别变化至11和140 GPa.油膜、水膜与转移膜的协同润滑效应能够提升其耐磨能力.适宜的浓度配比和薄膜表面石墨化程度是影响摩擦的关键因素.

具有低摩擦因数的a-C:H薄膜研究

a-C:H薄膜有内应力大、热稳定性差、大气环境下摩擦因数高(0.1~0.4)等一些固有缺陷。采用等离子体辅助化学气相沉积技术,以乙炔和六甲基二硅氧烷为反应前驱体制备了具有低摩擦因数的硅氧共掺a-C:H薄膜。利用扫描电镜、拉曼光谱、纳米压痕及划痕分别研究了薄膜的微观结构和力学性能。结果表明,硅氧共掺a-C:H薄膜具有典型的非晶碳结构,并且展现出较高的硬度和弹性模量以及良好的膜基结合力,大气下的摩擦因数介于0.04~0.08之间,气压为10 kPa和5 kPa时摩擦因数可低至0.02。薄膜的低摩擦性能主要来源于薄膜本身的特性(硅氧的掺杂)和服役环境中大气压力的共同作用。

磁控溅射Al靶功率对类金刚石薄膜结构和摩擦学性能的影响

本文采用中频磁控溅射金属Al靶,以CH4为反应气体,通过调整Al靶溅射功率,在p(100)单晶硅片和不锈钢基底上成功制备出不同Al含量的Al/a-C∶H纳米复合薄膜.并利用HR-TEM、XPS、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机等手段分析和研究了Al/a-C∶H薄膜的结构、机械及摩擦学性能.结果表明:金属Al以纳米晶颗粒形式镶嵌在非晶碳网络中,使得所制备Al/a-C∶H薄膜呈现出典型的纳米晶/非晶复合结构;同时,Al掺杂促进了薄膜中sp2杂化碳形成,且有效地释放残余内应力.Al靶溅射功率为800 W时所制备的Al/a-C∶H薄膜具有结构致密、内应力低、硬度高的特性;在大气环境中,该薄膜与Si3N4陶瓷球干摩擦时显示出优越的摩擦学性能,其摩擦系数约为0.055,磨损率约为2.9×10-16m3/(N.m).

a-Si∶H/Al/a-Si∶H三层复合膜的低温晶化研究

采用真空热蒸发与PECVD方法 ,在特殊设计的“单反应室双沉积法”薄膜沉积设备中沉积a Si∶H/Al/a Si∶H三层复合薄膜 ,并利用XRD ,XPS及SEM等方法对薄膜在不同温度退火后的晶化行为进行了研究。结果表明 ,随着热处理过程的进行 ,金属Al逐步向表面扩散 ,在金属Al锈导下a Si∶H层出现晶化的温度不高于 2 5 0℃。在Al层厚度低于 2 2nm时 ,a Si∶H向晶态硅转变的量随着Al层厚度的增加而增加 ,而当Al层厚度大于 2 2nm后 ,a