磁控溅射制备dlc结构性能研究

目录
引言 1
一、课题背景及研究内容 2
（一）课题研究背景及意义 2
（二）国内外类金刚石研究概况 3
（三）研究的主要内容 4
二、类金刚石薄膜的制备与表征方法 5
（一）类金刚石薄膜的制备方法 5
（二） 薄膜材料的表征方法 9
三、 样品的制备 11
（一）样品的准备与清洗 11
（二）样品准备的注意事项 11
（三）样品装夹与制备 11
四、样品的表征分析 13
（一）拉曼光谱分析 13
（二）AFM结果分析 15
（三）厚度分析 16
（四）硬度分析 17
总结 18
参考文献 19
谢辞 20
引言
本课题是使用磁控溅射制备的类金刚石薄膜，目的是使用一些检测设备对于所制备薄膜的结构和性能进行分析。使用的设备有拉曼光谱仪、原子力显微镜、硬度测试仪，通过使用检测设备来获取试验样品的数据。类金刚石薄膜的硬度接近金刚石，可以在零件表面沉积类金刚石薄膜，达到增强硬度的目的。如在刀具的表面沉积类金刚石，可增加刀具的耐磨性能以及硬度。通过表面沉积类金刚石薄膜的刀具的使用寿命大大加长，也增加了刀具切削零件时表面粗糙度。在一些零件的表面沉积类金刚石薄膜不仅使得零件更加耐磨，同时也可以减小零件的成本。一些零件由于所处的环境，比如航空发动机中叶片的榫头部位，这些小部分的摩擦在沉积薄膜时，降低了整个叶片的材料耐磨性。
一、课题背景及研究内容
（一）课题研究背景及意义
世界上首先报道制备类金刚石薄膜的是Sol Aisenberg 和 Ronld Chabot，1971年，在当时技术条件下，他们使用离子束沉积法制备的类金刚石薄膜。通过当时所能允许的检测条件下，使用X 射线衍射检测手段对所获得薄膜进行结构性能检测。最后分析得出所制备的薄膜有类似类金刚石的物理化学性质，当时他们称之为类金刚石碳膜(diamondlike carbon films，简称 DLC films)。大自然中存在的金刚石是人类发现已知物质中硬度最高的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072* 
一种物质，其主要成分是碳元素，碳的一种同素异构体。
金刚石和石墨的杂化结构的特征是类金刚石薄膜的主要结构，这也就意味着，类金刚石薄膜的性能结构是金刚石的石墨的结合。在类金刚石薄膜同时含有SP1、SP2、SP3三种杂化结构，（如图1,1）SP3杂化结构是金刚石中的碳原子结构，SP3杂化结构中，碳原子的四个外层电子形成一个四面体，各个电子处于四面体的顶点处。每个外层电子都与其他碳原子结合，因此构成的结构使得其硬度和性能优于其他材料 。SP2结构是石墨的主要性能结构，在这种结构中，碳原子的轨道电子呈平面三角形分布。SP1结构中，只有有两个外层电子形成σ键，所以此结构对于薄膜的性能的影响不大，但其存在的数量会影响薄膜其他结构的在薄膜的比例。SP3与SP2结构是类金刚石薄膜的主要结构特征，其中，SP3结构是类金刚石薄膜最的主要结构特征，其在薄膜中含有的数量越多，类金刚石薄膜的硬度以及其他性能就越接近金刚石。SP2结构是石墨的主要特征结构，其含量大小决定这薄膜的润滑性以及导电性能。
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类金刚石膜分为含有氢元素的类金刚石碳膜(aC)和不含有氢元素金刚石碳膜(aC：H)两类，在含有氢元素类金刚石薄膜中存在一定数量的CH键。含有氢的类金刚石薄膜又称为αC:H，这种薄膜拥有良好的润滑性能，在处于摩擦环境的零件表面表面改性方面应用相当广泛。αC膜含有一些sp3键；taC膜中以sp3键为主（sp3>70%），其具有强度高的特点，其可用于半导体器件、计算机硬盘、摩擦副表面改性、零部件表面改性等。
由于类金刚石薄膜的优异性能，在电声领域、生物领域、机械零件、航空航天、计算机领域和电子元器件等都被广泛应用。
（二）国内外类金刚石研究概况
尽管类金刚石薄膜是国内外研究的热点就具有一些优异的性能，但仍有其需要解决的问题存在。 由于目前制备类金刚石薄膜技术的限制，薄膜的厚度有时是100nm，甚至更少。如果厚度增大到一定的数值时，薄膜的内应力的将会受到一定程度的影响，这种影响会使薄膜表层出现分层的情况，严重时甚至会剥落或断裂。即使薄膜厚度控制在100nm以下，薄膜与基底的膜基结合力也是一个问题，类金刚石薄膜在不同材料上的膜基结合力有很大的不同，所以目前使用最多的基底材料是各种金属材料（Al、Ti、Cr等）不锈钢、硬质合金、非金属等。在基底材料表面制备类金刚石薄膜时，对于沉积的基底材料的耐热性有一定的要求。
制备过程中，基底表面温度会升高，如果选择的基底不能耐一定的温度，制备过程中会使基底变形，效果大打折扣。在制备类金刚石薄膜时，为了有效的提高薄膜的其他物理学性能，如提高薄膜的力学性能和弹性模量，与此同时又能有效提高类金刚石薄膜的硬度与摩擦学性能以及其他物理性能。通过以下几种制备方法能提高或改善薄膜的一些性能：
（1）通过掺杂一些金属或非金属等异质元素
类金刚石薄膜中主要存在着SP3、SP2结构，通过掺杂这些异质元素可调节这两者在类金刚石薄膜中的比率，改变薄膜中的键的结构，达到改变或增加薄膜一些性能的效果。金属掺杂主要以金属单质，如钛（Ti）、铬(Cr)、钼(Mo)、铜(Cu)等，非金属主要以硼(B)、硅(Si)、氧(O)、氮(N)等单质。掺杂的金属异质元素主要是以过渡金属为主，以氧化物形式掺杂到类金刚石薄膜中的主要是以一些稀土元素为主。金属掺杂的类金刚石薄膜具有较高的硬度和相对较低的内应力以及其他的物理化学性能。同时也有效地提高了基底材料与薄膜之间的结合力。
（2）热处理类金刚石薄膜

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