高功率脉冲磁控溅射技术制备ta-C膜及性能改性研究

硬质合金表面沉积四面体非晶碳膜(ta-C薄膜)的结合力和摩擦性能影响着其在切削刀具和耐磨零部件领域的应用效果。基于高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)制备了ta-C薄膜,通过调节C2H2流量对ta-C薄膜进行了改性研究。利用SEM对薄膜厚度进行观察,通过拉曼和XPS对其结构进行研究,通过纳米压痕对其硬度进行表征,通过纳米划痕对薄膜的结合力进行研究并通过摩擦磨损试验对薄膜的耐磨性进行探究。结果表明,通入C2H2气体可有效改善ta-C薄膜的结构、硬度、结合力和耐磨性能。改变C2H2流量可调控ta-C薄膜的性能,随着C2H2流量的逐渐增大,薄膜的各项性能呈现先增大后减小的趋势,当C2H2流量为15 cm^(3)/min时,薄膜的各项性能都达到较为优异的结果,ta-C薄膜厚度达655.9 nm,硬度提高到43.633 GPa,结合力提升到19.2 N,此时sp3键含量为70.19%,ta-C薄膜表面均匀、致密,且性能优良。

Preparation of c-Axis Oriented LiNb_(1-x) Ta_xO_3 Films on Si(111) Substrates by a Modified Sol-gel Process

In this work, we succeeded in the preparation of LiNb 1- x Ta x O 3 films on Si(111) substrates by means of sol gel process, and the usual sol gel process for the preparation of LiNbO 3 and LiTaO 3 films on Si substrates was improved by adding a 33% aqueous solution of CH 3CH 2OH to the mixed sols of LiNb(OCH 2CH 3) 6 and LiTa(OCH 2CH 3) 6 . The crystallization behavior of LiNb 1- x Ta x O 3 films on Si(111) substrates has been studied. Highly c axis oriented LiNb 1- x Ta x O 3 films have been obtained within the tantalum composition range of \{0< x <0 33\}. Some factors such as the hydrogen termination of the silicon surface, the RTP annealing process that provides the unidirectional heat flow and the preheating temperature are discussed to analyze the crystallization of the c axis oriented films.

FCVAD合成Ta-C(N)薄膜及其Raman和XPS分析

掺N非晶金刚石Ta-C(N)薄膜是合成β-C3N4研究中出现的一种新型固体薄膜材料,近年来由于其优异的电化学性能受到越来越多的关注。我们用磁过滤阴极真空弧等离子体沉积(FCVAD)方法在不同N2分压下,在Si衬底上合成了Ta-C(N)薄膜。Raman和XPS分析表明Ta-C:N薄膜中的N主要以C—N的方式与C结合。N2分压越大,N/C原子比越高,最高可达31.1%。但同时sp3键含量越低,并且合成Ta-C:N薄膜的速度越慢。

FCVAD合成Ta-C薄膜的Raman和XPS分析

用磁过滤阴极真空弧沉积 (FCVAD)方法在Si衬底上合成了Ta C薄膜 ,Raman光谱和光电子能谱 (XPS)分析表明衬底加 80～ 10 0V负偏压时合成的Ta C薄膜sp3 键所占比例最高 ,可达 80 %以上 ,并且在Ta C薄膜表面存在一sp3 键所占比例较低的薄层 .

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。

不锈钢基Ti/ta-C复合膜沉积与热应力研究

ta-C薄膜是性能优良的耐摩擦超硬薄膜,但其残余应力过大问题严重影响了其力学性能及实际应用。根据脉冲磁过滤多弧离子镀沉积ta-C薄膜的工艺,进行了膜系设计并沉积制备出以不锈钢为基底的Ti/ta-C复合膜。通过有限元方法,建立数值计算模型,研究了薄膜热应力与膜层厚度、基底厚度和沉积温度等参数变化的规律,得到Ti/ta-C复合膜的热应力分布,模拟与理论计算结果误差较小,揭示了脉冲磁过滤多弧离子镀沉积ta-C薄膜厚度的有效控制的途径,为完善脉冲磁过滤多弧离子镀沉积ta-C薄膜的工艺,提供了理论依据。实验研究了不同沉积温度下薄膜的硬度和残余应力、热应力的关系,结果表明,热应力增加会导致薄膜硬度降低,但不会导致残余应力的明显变化,即热应力不是脉冲磁过滤多弧离子镀沉积ta-C薄膜残余应力过大的主要因素。

纳米级ta-C薄膜对二次电子发射抑制的研究

二次电子倍增引起的微放电效应已经成为制约空间通信技术发展的重要因素。提出采用纳米级四面体非晶碳(ta-C)薄膜抑制二次电子发射的新方法,研究了在镀银铝基材料上制备ta-C薄膜的工艺,以及薄膜中sp2键的含量以及薄膜的厚度对二次电子发射系数的影响。研究结果表明,涂层后的二次电子发射系数减小了35%;且当薄膜厚度超过5 nm,二次电子发射系数显著降低,当厚度大于10 nm,二次电子发射系数会增加,分析主要原因是薄膜厚度在5-10 nm时,sp2键的含量较大,呈现出石墨的弱二次电子发射特性,研究结果表明,ta-C薄膜可以较好地起到抑制二次电子作用。

高分布密度熔滴对ta-C薄膜力学性能的影响

为研究高分布密度熔滴对ta-C薄膜力学性能和基体温度对熔滴分布密度的影响,分别用直接阴极电弧(DCVA)和磁过滤阴极电弧(FCVA)方法在不同基体温度下制备具有不同熔滴分布密度的ta-C薄膜。用扫描电子显微镜、3D光学轮廓仪、拉曼光谱仪、X射线光电子能谱、纳米压痕仪和球盘式摩擦磨损仪分别表征ta-C薄膜表面形貌、粗糙度、组织结构、纳米硬度和摩擦磨损性能。不加热基体时DCVA和FCVA制备的薄膜sp^(3)C含量相近。结果表明:高分布密度熔滴降低薄膜摩擦系数、磨损率和硬度。基体温度升高对DCVA制备薄膜的熔滴分布密度无明显影响,但可使其摩擦系数降低,且磨损率仍低于FCVA制备薄膜的磨损率。

厚度对真空电弧制备传感器用非晶ta-C膜性能的影响

采用双弯曲磁过滤阴极真空电弧沉积方法在传感器用P型单晶硅上制备ta-C膜,并通过实验测试的手段研究厚度对其组织及性能的影响。研究结果表明:逐渐延长沉积时间后,沉积速率始终保持1.6 nm/min的稳定状态。分别运用椭偏仪和光度计测定ta-C膜的厚度结果基本一致,差值小于2 nm。随着膜厚的增加,sp^(3)C比例发生了减小,原先的sp^(3)结构逐渐转变为sp^(2)结构。当膜厚增大后,ta-C膜内形成了更高比例的sp^(3)C。当膜厚增大后,G峰发生了低位移动,此时膜内的sp^(3)C比例发生了降低。当膜厚增大后,ta-C膜色散值和残余压应力发生了不断减小,表明膜获得了更小的拓扑无序度。不同厚度的涂层粗糙度基本接近,都在0.6 nm以内。膜表面呈现光滑的连续分布形态,粗糙度保持基本恒定。

CⅡTA基因在5种人类细胞系中的表达及意义

本研究探讨5种细胞株中MHC-Ⅱ类抗原(HLA-DR、DP、DQ)表达及IFN-γ诱导后MHC分子与CⅡTA表达的关系。采用Western blot、免疫组织化学和流式细胞术检测5种细胞株中CⅡTA蛋白及MHC分子的表达,用RT-PCR检测细胞株中CⅡTA基因表达。结果表明:5种细胞株中MHC-Ⅱ类分子与CⅡTA的表达一致;组成型表达CⅡTA的细胞株亦表达MHC-Ⅱ类分子,经IFN-γ诱导后表达CⅡTA的细胞株表达MHC-Ⅱ类分子亦恢复;IFN-γ诱导后仍不表达CⅡTA的细胞株,对IFN-γ促MHC-Ⅱ类分子表达的作用亦无反应。结论:某些肿瘤细胞株不能表达MHC-Ⅱ分子与CⅡTA表达缺陷有关,这表明CⅡTA参与调控细胞表面MHC-Ⅱ类分子表达,它可能在肿瘤免疫逃逸中起一定作用。

电绝缘用ta-C薄膜的微观结构与电学特性

采用ta-C薄膜用于SOI结构中的绝缘层,在高温高功率器件中有很大的应用潜力。应用真空磁过滤弧源沉积(FAD)的方法制备了ta-C薄膜。通过AFM、non-RBS、IR、I-V、C-V等方法对薄膜的表面形貌、微观结构和电学性能进行了研究。研究表明,ta-C薄膜的sp^3键含量高达87％,且具有很高的表面光洁度(粗糙度低于0.5nm)及较好的电绝缘性能,击穿场强达到4.7MV/cm。

弧电流对电弧离子镀沉积超硬ta-C薄膜结构与性能的影响

用电弧离子镀设备,以获得超硬四面体非晶ta-C薄膜为目的,通过改变弧电流(30~90 A),在硬质合金基体上制备了5组类金刚石(DLC)薄膜,主要考察弧电流对薄膜结构、性能以及获得超硬ta-C薄膜的影响规律。采用SEM、Raman、XPS、纳米压痕以及摩擦磨损仪分别表征了薄膜的形貌、结构、力学性能以及摩擦性能。结果表明:当弧电流为30 A时,薄膜表面最为平整致密、大颗粒数量最少,Raman谱的I_(D)/I_(G)值最小为0.87、sp^(3)键含量最大为64%,薄膜的硬度和弹性模量最大,分别为56.7和721.1 GPa、弹性恢复系数高达58.9%,且薄膜的摩擦系数最小为0.073,表明此时获得了具有优异综合性能的超硬ta-C薄膜;但随着弧电流的增加,薄膜表面变得疏松多孔、表面大颗粒增多,I_(D)/I_(G)增大、sp^(3)键含量减小,薄膜的硬度H和弹性模量E逐渐减小,薄膜的摩擦系数也逐渐增大、耐摩擦性能大大降低,此时薄膜又归于呈现普通的性能一般的DLC薄膜特征。分析表明,在选择优化的离子能量前提下,若用本实验的电弧离子镀技术制备性能优异的超硬四面体非晶ta-C薄膜,需控制薄膜在较小的离子通量和大颗粒数量下沉积生长,为此需选择较小的弧电流。

超薄四面体非晶碳膜光学常数的精确测定

目的联合使用光谱型椭偏仪(SE)和分光光度计,精确测定超薄四面体非晶碳薄膜(ta-C)的光学常数。方法由于该薄膜的厚度对折射率、消光系数有很大的影响,仅采用椭偏参数拟合,难以准确得到该薄膜的光学常数,椭偏法测定的未知参数数量大于方程数,椭偏方程无唯一解。因此,加入透过率与椭偏参数同时进行拟合(以下简称SE+T法),以简单、快速、准确地得到该薄膜的光学常数。结果薄膜具有典型的非晶碳膜特征,SE和SE+T两种拟合方法得到的光学常数具有明显的差异,消光系数k在可见以及红外区最大差值可达0.020,紫外区最大的偏差约为0.005;折射率n在500 nm波长以上最大差值为0.04,在紫外光区和可见光区两种方法得到的n趋于一致。联用时的拟合结果具有更好的唯一性,而且拟合得到的光学常数变得平滑。结论椭偏与分光光度计联用适合精确测定测量范围内的超薄四面体非晶薄膜的光学常数。

磁过滤阴极弧制备四面体非晶碳膜热稳定性研究

为研究磁过滤阴极弧制备的四面体非晶碳(tetrahedral amorphous carbon,ta-C)膜在自然环境中使用的热稳定性,将ta-C膜在空气中退火3h,退火温度分别为200、400和500℃.用XPS和Raman谱对膜的微观结构进行表征.结果表明,在400及400℃以下退火,XPS谱Cls峰和Raman谱都没有明显变化.当退火温度为500℃时,Cls峰峰形仍然没有变化;Raman峰ID/IG增大,G峰峰位未变,峰的对称性变好.分析显示膜中石墨颗粒长大,但没有发生石墨化.说明磁过滤阴极弧制备的ta-C膜因不含氢和结构致密而表现出良好的热稳定性.另外,在退火温度为500℃时,样品边缘已经氧化挥发.

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。

不同对偶材料对四面体非晶碳薄膜摩擦学性能的影响

为探究四面体非晶碳(ta-C)薄膜与几种典型对偶材料的摩擦学性能的变化规律及相关机理,采用新型激光引弧磁过滤真空阴极电弧技术制备厚度约为1μm的ta-C薄膜,选用WC、Al_(2)O_(3)、9Cr183种高硬度对磨球进行摩擦磨损试验。使用扫描电镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱仪、表面轮廓仪、纳米压痕仪、球盘摩擦磨损试验仪对ta-C薄膜的微观结构和摩擦学性能进行系统研究。结果表明:3种对偶材料下,ta-C薄膜的摩擦系数都很低,均表现出较优异的抗磨减摩性能。其中,当对磨球为Al_(2)O_(3)时,薄膜摩擦系数最低,为0.11左右;当对磨球为9Cr18时,薄膜的磨损率最小,为4.0×10^(-7)mm^(3)/(N·m);对磨球为WC时,薄膜的磨损率最高,为7.6×10^(-7)mm^(3)/(N·m)。薄膜的磨损机理主要为磨粒磨损,不同对偶材料表面均生成了具有碳质结构特征和石墨化的转移膜。

离子镀中弯管磁过滤器的效率和颗粒去除效果的研究

真空多弧离子镀沉积四面体非晶碳薄膜(ta-C)过程中,利用90°磁过滤器弯管去除大颗粒。本文探究了磁场强度、弯管偏压、弧电流和挡板孔径对弯管中离子传输效率(离子流)的影响,同时研究了薄膜表面颗粒去除情况。实验结果表明,弯管中离子流随磁场强度增强而增大,但增大磁场强度会导致颗粒数量增多;在中低磁场强度下,弯管偏压约为+15 V时可获得较高的离子传输效率,相比于不施加偏压提高了近70%;减小挡板孔径可使沉积速率降低,但可以显著改善大颗粒过滤效果;改变弧电流对弧源离子产生率和过滤器传输效率几乎没有影响,减小弧电流能够降低大颗粒的发射数量。本文研究内容为工业应用中采用磁过滤弯管减少薄膜大颗粒提供参考。