论文部分内容阅读
本文利用中频磁控溅射技术以纯石墨靶/纯石墨靶&甲烷为碳源在单晶硅基底上制备了不含氢/含氢类金刚石碳膜(hydrogen-free/hydrogenated amorphous carbon,a-C/a-C:H),考察了粒子入射角度以及粒子掠入射周期(基底转动速度)对薄膜表面形貌、微观结构、力学和摩擦学性能的影响,主要研究内容如下:1.研究了粒子入射角度对a-C薄膜表面形貌、微观结构及性能的影响。结果表明,随着粒子入射角度的增加,薄膜沉积速率呈现近余弦规律的减小趋势,表面均方根粗糙度经历缓慢增大和急剧增大两个阶段。XPS和Raman分析结果显示:随着粒子入射角度的增加薄膜中sp3/sp2比率减小。薄膜的硬度随着粒子入射角度的增加逐渐减小;薄膜内应力随粒子入射角度的增加出现压应力向拉应力的转变,压-拉应力转换点介于30°到45°之间,且应力值先减小后增大。随粒子入射角度的增加,薄膜摩擦系数增大,耐磨性变差。2.研究了粒子入射角度对a-C:H薄膜表面形貌、微观结构及性能的影响。结果表明,随着粒子入射角度的增加,沉积速率先增大后减小,15°时薄膜沉积速率最高,为10.24 nm/min;薄膜表面阴影效应加剧,表面均方根粗糙度逐渐增大。Raman和XPS分析结果显示,随着粒子入射角度的增加,薄膜sp3/sp2比率在0.86-1.22之间呈现先增加后减小再增加的变化趋势。与a-C薄膜相类似,薄膜内应力随粒子入射角度的增加同样出现压应力向拉应力的转变。粒子入射角度为30°时制备的薄膜内应力低而硬度最大,分别为-0.037 Gpa和14.22 Gpa。因此,可以通过合理控制粒子入射角度来制备超低应力的薄膜。3.研究了基底转动速度对a-C和a-C:H薄膜表面形貌、微观结构及性能的影响。结果表明,基底转动导致薄膜生长模式从基底固定时的连续生长转变为原子(分子)层生长。对于a-C薄膜,基底转动条件下生长速率约为基底固定时的1/3,且随着基底转速的增加逐渐减小;3 r/min时沉积薄膜表面均匀光滑,此后随着转动速度的增大薄膜表面粗糙增大;随着基底转动速度的增加,薄膜sp3/sp2比率呈近似线性减小趋势,硬度逐渐减小,耐磨性变差。而对于a-C:H薄膜,基底转动条件下生长速率约为基底固定时的1/2;表面粗糙度随基底转动速的变化规律与a-C薄膜刚好相反,在3 r/min时表面粗糙度最大,为0.58 nm。基底转动条件下制备的薄膜均具有相对较高的硬度和杨氏模量,摩擦系数较为稳定。