磁控溅射含Ti非晶碳膜的微观结构分析

用磁控溅射方法制备了含Ti 4at%,18at%,27at%的非晶碳膜.用XPS分析了含Ti 18at%碳膜的碳键结构、化合物组成.结果发现:碳膜的C1s峰在284 eV附近,碳膜中sp2:sp3=14.6:6.3,sp2占明显优势,碳键结构以sp2为主;Ti2p谱的455.2 eV处的峰对应TiC,说明形成了TiC.用XRD对含Ti 4at%,18at%.27at%碳膜进行物相分析.结果发现:含Ti 18at%和27at%时,都存在TIC(111),TiC(200)和TiC(220)晶向,但27at%的Ti(111)取向更加明显;4at%时,没有发现TiC相.TEM的分析结果证明,含Ti 18at%的碳膜在非晶的基体上分布有TiC的颗粒.四点探针法(FPM)测定3种非晶碳膜的电阻率分布在9X 10-5～2X 10-4Ω.m之间,随着Ti含量的增加,电阻率减小.可以认定:磁控溅射制备的碳膜是碳键结构以sp2为主的非晶碳膜,加入一定量Ti后,在非晶的基体上形成Ti化合物的晶体颗粒.     

类石墨碳膜的制备及其与类金刚石碳膜的区分

类金刚石碳膜的碳键结构一般以sp3为主,用离子束辅助磁控溅射制备了以sp2为主的非晶碳膜,即类石墨碳膜。分析类石墨碳膜的成分、组织结构,并通过这些结果区分类石墨碳膜与类金刚石碳膜。采用卢瑟福背散射谱(RBS)、x射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、x射线光电子谱(XPS)、四点探针法(FPM)分析了成分、组织结构及电阻率,结果表明:制备碳膜的晶体结构是非晶,碳键结构以sp2为主,电阻率在10-4~10-2??m之间。证明这种非晶碳膜不同于类金刚石碳膜(sp3为主)。     

基体负偏压对四面体非晶碳膜结构和性能的影响

采用自主研制的45°单弯曲磁过滤阴极电弧沉积系统于Si基体表面制备了四面体非晶碳(ta–C)膜,研究了基体负偏压对薄膜沉积速率、成分、力学性能及摩擦学性能的影响规律。结果表明,随基体负偏压升高,ta–C膜sp3键含量呈先增后减的变化趋势,在-50 V时达到最大值（约64%）;其硬度和弹性模量呈相似的变化规律,在-50 V偏压下获得最大值(48.22 GPa和388.52 GPa)。ta–C薄膜的摩擦学性能与其sp3碳杂化键的含量密切相关,在-50 V偏压下制备的薄膜具有最小平均摩擦系数值（0.10）。可见,采用单弯曲磁过滤阴极弧电弧制备ta–C薄膜的力学和摩擦学特性主要受薄膜中sp3键含量的制约。     

全方位离子注入与沉积类金刚石碳膜的结构与性能

用等离子体浸没离子注入与沉积(PIIID)复合强化新技术在AISI440C不锈钢表面制备了类金刚石(DLC)碳膜。膜层表面的原子力显微镜(AFM)形貌显示出DLC膜结构致密均匀。Raman光谱分析结果表明,制备的DLC主要是由金刚石键(sp3)和石墨键(sp2)组成的混合无定形碳膜,且sp3键含量大于10%。以纯石墨棒做阴极,C2H2为工作气体条件下合成的DLC薄膜中,sp3键含量总体上较单纯用石墨作阴极而无工作气体条件下合成的DLC薄膜中sp3键含量高。与基体相比,薄膜试样的显微硬度和摩擦磨损性能均得到了较大改善,最大硬度提高88.7%,磨损寿命延长超过4倍。     

a-C:F:H薄膜的化学键结构

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法,制备了a-C:F:H薄膜样品.采用拉曼光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪、X射线光电子能谱仪(XPS)对薄膜的结构进行了测试和分析.研究发现:该膜呈空间网状结构,膜内碳与氟、氢的结合主要以sp3形式存在,而sp2形式的含量相对较少;在薄膜内主要含有C-Fx(x=1,2,3)、C-C、C-H2、C-H3等以及不饱和C=C化学键;同时,薄膜中C-C-F键的含量比C-C-F2键的含量要高.在不同功率下沉积的薄膜,其化学键结构明显不同.     

宁波材料所在类金刚石碳膜的应力调控研究方面取得进展

类金刚石薄膜材料（diamond—like carbon,简称DLC）作为一类非晶碳膜材料的统称,主要由sp3键（金刚石相）和sp2键（石墨相）的三维交叉网络混合而成,依制备方法不同可含有一定量氢,     

电化学沉积铁-非晶碳磁性纳米复合薄膜北大核心CSCD

利用液相电化学方法,以乙酰丙酮铁的甲醇溶液为碳源,在单晶硅表面制备了铁-非晶碳磁性纳米复合薄膜。通过扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱和Raman光谱技术分析了薄膜组成、形貌和结构。结果表明:Fe掺杂的非晶碳膜为含有Fe、Fe_3O_4纳米晶和非晶碳基的复合结构。和未掺杂非晶碳膜相比,Fe掺杂的薄膜具有更高的sp2碳含量和无序度。磁滞回线显示Fe掺杂的薄膜具有软磁特性,沿薄膜表面方向为易磁化方向。     

电化学沉积铁-非晶碳磁性纳米复合薄膜

利用液相电化学方法,以乙酰丙酮铁的甲醇溶液为碳源,在单晶硅表面制备了铁-非晶碳磁性纳米复合薄膜。通过扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱和Raman光谱技术分析了薄膜组成、形貌和结构。结果表明:Fe掺杂的非晶碳膜为含有Fe、Fe_3O_4纳米晶和非晶碳基的复合结构。和未掺杂非晶碳膜相比,Fe掺杂的薄膜具有更高的sp2碳含量和无序度。磁滞回线显示Fe掺杂的薄膜具有软磁特性,沿薄膜表面方向为易磁化方向。     

基体负偏压对四面体非晶碳膜结构和性能的影响

采用自主研制的45°单弯曲磁过滤阴极电弧沉积系统于Si基体表面制备了四面体非晶碳(ta-C)膜,研究了基体负偏压对薄膜沉积速率、成分、力学性能及摩擦学性能的影响规律。结果表明,随基体负偏压升高,ta-C膜sp3键含量呈先增后减的变化趋势,在-50V时达到最大值(约64%);其硬度和弹性模量呈相似的变化规律,在-50V偏压下获得最大值(48.22GPa和388.52GPa)。ta-C薄膜的摩擦学性能与其sp3碳杂化键的含量密切相关,在-50V偏压下制备的薄膜具有最小平均摩擦因数值(0.10)。可见,采用单弯曲磁过滤阴极弧电弧制备ta-C薄膜的力学和摩擦学特性主要受薄膜中sp3键含量的制约。     

类金刚石薄膜的电子结构及光学性质

以直流磁控溅射制备了类金刚石薄膜,采用原子力显微镜(AFM)观察薄膜的表面形貌,采用俄歇电子能谱(AES)分析薄膜的化学键和电子结构。将参数D定义为俄歇电子能谱(AES)中最大正峰和最低负峰之间的距离,用俄歇电子能谱中的D值求得不同沉积气压条件下制备的薄膜的sp2键的百分含量和sp2键与sp3键比率。采用紫外可见光透射光谱(UV-Vis)分析了薄膜的光吸收特性和光学带隙。结果表明:沉积气压低于0.8 Pa时,sp2键的百分含量随沉积气压的增大而减小;薄膜的光学性质受光学带隙的直接影响。     

氩离子溅射刻蚀对Ti-Si-C纳米复合薄膜XPS分析的影响

通过中频非平衡磁控溅射Ti80Si20复合靶在氩气和甲烷混合气氛中沉积Ti-Si-C复合薄膜。采用X射线衍射仪、Raman光谱和X射线光电子能谱分析薄膜微结构。结果显示:制备的薄膜为非晶碳(a-C:Si:H)包裹约10 nm TiC晶粒的复合结构,氩离子溅射刻蚀对XPS分析结果有显著影响。随氩离子刻蚀溅射刻蚀时间增加,薄膜表面C、O原子含量明显降低,而Ti、Si原子含量增加。氩离子溅射刻蚀导致薄膜非晶碳相发生石墨化转变,即sp3C-C(H)/sp2C-C比率减小,同时,C-Ti*/C-Ti和C-(Ti+Ti*)/C-C强度比明显增加。     

聚合物热解制备硬质碳膜及其摩擦学性能表征

合成了一种新型碳基骨架聚合物一聚碳苯，将其溶解于有机溶剂中，通过旋涂法涂覆于耐热钢表面，在常压、惰性气体保护下，经过高温热处理得到碳薄膜。利用X射线光电子能谱和原子力显微镜考察了热处理温度对碳膜的微观结构和表面形貌的影响，同时利用纳米压入仪和球盘摩擦试验机考察了不同温度制备的薄膜的纳米硬度和摩擦学特性。结果表明：热处理温度为600～1000℃可以得到具有sp3-c和sp2-c混合相的碳薄膜，随着热处理温度的升高，薄膜中sp2-c含量增加，均方根粗糙度(RMS)增加；热处理温度为800℃时制备的碳薄膜具有最高的纳米硬度；在室温干摩擦条件下，当热处理温度从600℃提高到700℃时，薄膜的摩擦因数有明显的降低，随着温度的进一步升高，摩擦因数只有轻微的降低；薄膜的耐磨寿命随着热处理温度的提高而逐渐增加。     

Amorphous hafnium oxide thin films for antireflection optical coatings

Hafnium oxide (HfO₂) thin films were grown on silicon and quartz substrates by radio frequency reactive magnetron sputtering at temperature < 52 °C. X-ray diffraction of the films showed no structure, suggesting that the films grown on the substrates are amorphous. The optical properties of these films have been investigated using spectroscopic ellipsometry with wavelength range 200-1400 nm and ultraviolet-visible spectrophotometer techniques. Also, the effects of annealing temperatures on the structure and optical properties of the amorphous HfO₂ (a-HfO₂) have been investigated. The films appeared to be monoclinic structure upon high temperature (1000 °C) annealing as confirmed by X-ray diffraction. The results show that the annealing temperature has a strong effect on the optical properties of a-HfO₂ films. The optical bandgap energy of the as-deposited films is found to be about 5.8 eV and it increases to 5.99 eV after the annealing in Ar gas at 1000 °C. The further study shows that the measurement of the optical properties of the amorphous films reveals a high transmissivity (82%-99%) and very low reflectivity (< 8%) in the visible and near-infrared regions at any angle of incidence. Thus, the amorphous structure yields HfO₂ film of significantly higher transparency than the polycrystalline (68%-83%) and monoclinic (78%-89%) structures. This means that the a-HfO₂ films could be a good candidate for antireflection (AR) optical coatings.     

高功率脉冲磁控溅射制备非晶碳薄膜研究进展

非晶碳薄膜主要由sp3碳原子和sp2碳原子相互混杂的三维网络构成,具有高硬度、低摩擦系数、耐磨损、耐腐蚀以及化学稳定性等优异性能。然而传统制备方法难以实现薄膜结构及其性能的综合调控,高功率脉冲磁控溅射因其离子沉积特性受到领域内专家学者的关注。总结了近年来关于高功率脉冲磁控溅射制备非晶碳薄膜材料的研究进展。重点介绍了高功率脉冲磁控溅射石墨靶的放电特性,指出了其在沉积非晶碳薄膜过程中获得高碳原子离化率的条件。针对离化率和沉积速率低,主要从提高碳原子离化率和碳离子传输效率等角度,介绍了几种改进的高功率脉冲磁控溅射方法。并对比了不同高功率脉冲磁控溅射方法中的碳原子离化特征、薄膜沉积速率、结构和力学性能。进一步地,探讨了高功率脉冲磁控溅射在制备含氢非晶碳薄膜和金属掺杂非晶碳薄膜中的优势及其在燃料电池、生物、传感等前沿领域的应用。最后,对高功率脉冲磁控溅射石墨靶的离子沉积特性、非晶碳薄膜制备及其应用研究趋势进行了展望。     

刻蚀工艺对四面体非晶碳膜生长及其性能的影响

目的研究不同等离子体刻蚀工艺对基体和四面体非晶碳膜(ta-C)的影响,并进一步考察不同电弧等离子体刻蚀时间对ta-C薄膜结构的影响。方法采用自主设计研制的45°单弯曲磁过滤阴极真空电弧镀膜设备,进行不同等离子体刻蚀以及ta-C薄膜的沉积。使用等离子体发射光谱仪表征离子种类及其密度,使用椭偏仪表征薄膜厚度,原子力显微镜表征刻蚀后的基体粗糙度,拉曼光谱仪和XPS表征薄膜结构,TEM分析薄膜的膜基界面结构。结果辉光刻蚀工艺中,作用的等离子体离子以低密度的Ar离子为主;而电弧刻蚀时,作用的等离子体离子为高密度的Ar离子和少量的C离子,并且能够在基体表面形成约15 nm的界面层,并实现非晶碳膜(a-C)的预沉积。随电弧等离子体刻蚀时间增加,ta-C薄膜的sp3含量有所降低。结论相比于辉光刻蚀,电弧刻蚀利于制备较厚的ta-C薄膜。这主要是因为电弧刻蚀时,基体表面形成良好的界面混合层,并预沉积了非晶碳膜,形成a-C/ta-C的梯度结构,有助于增强膜基结合力。     

Study on the Tribological Properties of Graphite-like Amorphous Carbon Film under Different Testing Conditions

Graphite-like amorphous carbon film was fabricated by unbalanced magnetron sputtering technique.Raman spectroscopy,atomic force microscopy(AFM)and tribometer were subsequently used to investigate the microstructure and tribological properties of the resultant film.It is found that the deposited carbon film is dominated by sp 2 sites,and the intensity ratio of the D and G peaks is as high as 4.0,which is one order of magnitude larger than that of diamond-like carbon films with high sp 3 content,indicating a more graphite-like structure.However,the as-deposited carbon film exhibits moderately high hardness(13.7 GPa),low internal stress(0.38 GPa)and superior tribological properties with high load bearing capacity(Hertz contact stress about 3.2 GPa)and low wear rate(2.73×10-10 cm3/N.m)in ambient atmosphere.Although it displays a poor wear resistance in water lubricated condition,a superior wear resistance is achieved in oil lubricated condition.Its inherent physical property,the formation of transfer layer and the friction induced chemical reactions may be commonly responsible for its tribological properties.     

C2H2流量对反应溅射石墨制备非晶碳膜层结构及性能影响研究

目的 研究反应溅射石墨制备非晶碳过程中乙炔流量变化对非晶碳微观结构、力学性能及摩擦学性能的影响规律。方法 通过在乙炔气氛中反应溅射石墨靶,调控乙炔流量,制备不同结构的非晶碳膜层,采用X射线光电子能谱仪、激光共聚焦拉曼光谱仪分析膜层的微观结构,采用纳米压痕仪表征膜层的力学性能,采用球盘式摩擦磨损试验机、白光干涉仪和光学显微镜表征膜层摩擦学性能。结果 通过反应溅射法制备了致密均匀的非晶碳,分析发现,所有薄膜表层均含有一定量O元素(原子数分数为6.36%~13.86%)。经Ar⁺刻蚀后,大部分膜层的O含量可降至1%以下;随着乙炔流量的增加,膜层的硬度(H)、弹性模量(E)和H³/E²均呈先增后减的趋势,在乙炔流量为10 cm³/min时膜层的硬度和弹性模量达到最大值,分别为27.93、233.55 GPa;摩擦学性能测试结果显示,膜层的平均摩擦因数在0.09~0.11之间,在启动阶段摩擦因数随着氢元素(H)含量的增加呈下降趋势,5 cm³/min试样的膜层的耐磨性最高、磨损量最小,其磨损量为0.72× 10⁻¹⁶ m³/(N.m)。结论 通过调节反应溅射石墨过程中乙炔的流量,可调控非晶碳中sp³/sp²、H含量,进而达到调控非晶碳力学性能、摩擦学性能的目的。     

Effect of substrate bias in amorphous carbon films having embedded nanocrystallites

The effect of substrate bias on the structural, morphological, electrical and mechanical properties of amorphous carbon (a―C) films having embedded nanocrystallites deposited by filtered cathodic jet carbon arc technique has been investigated. X-ray diffraction exhibits predominantly an amorphous nature of the film. High resolution transmission electron microscope investigations reveal largely an amorphous structure. However, an ultra-fine nanograined microstructure with the average grain size between 20 and 50 nm was observed throughout the entire film and the majority of the individual grains were single crystallites with the preferred interplanar spacing of about 0.2 nm. All the parameters evaluated were seen to depend strongly on the negative substrate bias and exhibit maxima or minima in the properties of the films deposited at − 150 V substrate bias. These a-C films having embedded nanocrystallites act as hard coating materials.     

STRUCTURE AND BINDING STATE OF CN x FILMS SYNTHESIZED BY FACING TARGETS SPUTTERING

１ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＳｉｎｃｅＬｉｕａｎｄＣｏｈｅｎ〔１〕ｐｒｅｄｉｃｔｅｄｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｃｅｏｆａｍｅｔａｓｔａｂｌｅｃｏｖａｌｅｎｔｃａｒｂｏｎｎｉｔｒｏｇｅｎｃｏｍｐｏｕｎｄβＣ３Ｎ４ｗｉｔｈａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｍｉｌａｒｔｏβＳｉ３Ｎ４,ａｎｄａｂｕｌｋｍｏｄｕｌｕｓｃｏｍｐａｒａｂｌｅｔｏｏｒｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｄｉａｍｏｎｄ,ｃａｒｂｏｎｎｉｔｒｉｄｅｈａｓａｔｔｒａｃｔｅｄｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅｉｎｔｅｒｅｓｔ．Ｖａｒｉｏｕｓｍｅｔｈｏｄｓｗｅ…