超薄纳米薄膜的划痕硬度评价方法及应用

纳米压痕是一种常用的薄膜硬度评价方法.然而,当薄膜厚度10 nm时,该方法难以去除基体对薄膜硬度的影响,因而无法获得薄膜自身的硬度,限制了纳米结构与硬度之间关系的认知,阻碍了超薄纳米结构薄膜的应用.本研究提出一种基于纳米压痕硬度标定下的纳米划痕硬度评价方法,并将其应用于纳米结构碳膜的硬度研究.首先,利用自行设计搭建的纳米刻划装置,通过对比碳膜在纳米划痕和纳米压痕方法下的残余变形深度,分析不受基体影响的临界薄膜厚度,得到纳米划痕深度不受基体影响的临界薄膜厚度.其次,采用压头形状等效接触模型,利用划痕的残余顶角、宽度和深度,通过计算压头前端的接触压力分布得到硅基体的纳米划痕硬度,与纳米压痕硬度标定结果一致.最后,将纳米划痕硬度方法应用在电子回旋共振等离子体溅射方法制备的3种不同纳米结构碳膜上,得到交联结构碳膜和非晶碳膜的硬度分别约为19. 1 GPa和14. 6 GPa,高于硅基体11. 2 GPa的硬度,而石墨烯嵌入式碳膜的硬度约为2. 7GPa.分析不同纳米结构碳膜的刻划机理表明,在sp2含量较高的纳米结构碳膜中,sp3含量并不是决定碳膜力学特性的唯一因素,小尺度、多石墨烯层间交联结构能够有效增加层间的剪切强度,薄膜展现出较好的耐刻划特性.研究结果有助于进一步拓展纳米划痕方法的应用,也为不同纳米结构碳膜的应用提供了理论基础.     

H2对类金刚石薄膜性能影响的研究

类金刚石膜因其高的硬度、高的介电性、低的摩擦系数、优异的光学和化学性能以及巨大的潜在应用前景而成为研究热点。采用离子增加化学气相沉积方法在Si基底表面制备含氢类金刚石薄膜,通过XPS能谱测试,确定膜层的成份组成,膜层中除了含有碳以外还含少量的吸附的氧。调节反应源气体中H：的比例,结果表明H2的含量直接影响DLC薄膜的性能。随着H。的含量增大,膜层的表面粗糙度降低,膜层的硬度变大,而应力相应增大。这是由于反应源气体中H2含量的增加,DLC薄膜中氢的含量反而降低,膜层内sp2团簇结构的无序性增加,sp2键的比例增加,这将使得膜层内的碳的空间网络结构所占的比例增加。     

纳米铜团簇熔化和凝固过程的分子动力学研究

采用嵌入原子势描述粒子之间的作用,用分子动力学方法研究了不同尺寸纳米铜团簇的熔化和凝固过程,通过系统在静态和动态过程中能量的计算,研究了熔化和凝固过程中系统的热力学特性,熔化和凝固过渡区线度对团簇尺寸的依赖性,发现了不同尺寸的团簇的熔点的相对变化和凝固点的相对稳定特性。     

碳/纳米TiO2复合材料的制备与表征

采用以N-二甲基甲酰胺(DMF)为分散剂的TiO2溶胶与聚丙烯腈(PAN)的DMF溶液共混并在聚四氟乙烯模具中浇铸成膜,然后将膜进行预氧化和碳化,制备了碳/纳米TiO2复合催化材料并对其结构进行了表征.结果表明,锐钛型TiO2粒子以10～30 nm的尺度均匀分散和镶嵌在具有乱层石墨结构的碳基底中.随着PAN基中TiO2含量的增加,复合膜表面的TiO2含量增加,但低于其内部含量,同时TiO2的晶粒发生聚并,粒子尺寸增加.乱层石墨结构碳的存在对TiO2由锐钛型转变为金红石型的相变过程有抑制作用.     

Au_（n-2）Ni_2（n=3-7）团簇的第一原理研究（英文）

用基于密度泛函理论的第一原理方法,系统研究了合金团簇Aun-2Ni2（n=3-7）可能的稳定结构和最低能量异构体的相对稳定性,确定了系列低能量异构体,部分异构体的电子态具有较高的自旋多重性,比较研究了混合团簇与纯Aun团簇的稳定性。结果表明：Au-Ni原子间相互作用较强,这改善了混合团簇的稳定性,这种影响随团簇体积的增大而减小;混合团簇的能级间隙存在奇-偶振荡。     

Aun-2Ni2(n=3-7)团簇的第一原理研究

用基于密度泛函理论的第一原理方法,系统研究了合金团簇Aun-2Ni2 (n=3-7)可能的稳定结构和最低能量异构体的相对稳定性,确定了系列低能量异构体,部分异构体的电子态具有较高的自旋多重性,比较研究了混合团簇与纯Aun团簇的稳定性.结果表明:Au-Ni原子间相互作用较强,这改善了混合团簇的稳定性,这种影响随团簇体积的增大而减小;混合团簇的能级间隙存在奇-偶振荡.     

玻璃表面化学镀纳米铜膜

利用化学镀铜工艺,以十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为镀液添加剂,在未经刻蚀的玻璃表面制备了纳米铜膜。采用FESEM、SEM和XRD等技术对铜膜表面、断面形貌及晶体结构进行了表征。结果表明,铜膜内团簇尺寸非常细小,晶粒尺寸约为15.5~28.3 nm,且存在较强的〈111〉织构。采用四探针法测量铜膜的电阻率,并讨论了电阻率随沉积时间增加而逐渐下降的原因。     

Au_nS(n=2～8)团簇结构和稳定性的密度泛函研究

采用密度泛函理论的PW91PW91方法,在相对论有效原子实势(RECP)近似情况下,系统研究混合小团簇Au_nS(n=2~8)团簇的几何结构、稳定性、电子特性。通过全优化计算,给出相应团簇的基态稳定几何构型及同分异构体;通过计算平均结合能E_b、HOMO与LUMO间的能级间隙E_g和二阶差分能量Δ~2E,对基态Au_nS团簇的稳定性和电子特性进行研究。结果表明:基态结构既有平面结构又有立体结构,并且具有不同的对称性;随着团簇的增大,热稳定性越高,Au_8S团簇具有最高的热稳定性;Au_6S团簇具有最高的化学稳定性;偶数原子团簇比奇数原子团簇更稳定。本研究可为Au-S团簇的实验研究提供理论参考。     

沉积温度对中频磁控溅射制备含氢非晶碳膜表面形貌和力学性能的影响

作为红外窗口的保护层,含氢非晶碳膜(a-C:H)是薄膜材料研究的热点.本文利用中频非平衡磁控溅射技术,以氩气和甲烷混合气体为工作气体,在单晶硅片上沉积含氢的a-C:H膜.改变沉积温度,制备常温和加温到80℃、120℃、150℃四种不同的溅射温度下沉积的a-C:H膜,发现薄膜的表面形貌、纳米硬度与沉积温度的变化不是成简单的线性关系.用Raman和F1TR分析了引起a-C:H膜表面形貌和力学性能变化的原因.结果表明,Raman和FITR分析表明基体温度为80℃以上沉积的膜中化学结构是以sp2键和C-H键非刚性键约束的聚合物结构为主,不能形成三维网络结构,对硬度的贡献几乎为零,所以硬度最低;常温时沉积,薄膜中含氢量低,正四面体的sp2结构增加,薄膜的硬度和弹性都增大.     

电纺PAN纳米纤维的石墨化调控及对NO的催化性能

为提高碳纳米纤维在接近室温下(20℃)对低浓度一氧化氮(NO,50 mg/L)的催化氧化性能,采用高压静电纺丝法制备聚丙烯腈(PAN)基碳纳米纤维,经预氧化、碳化和活化处理工艺,得到了具有高孔隙率和高比表面积结构的碳纳米纤维(PCNF);通过对纤维的碳化和活化温度(800、850、900、950℃)的调控,获得了一系列具有石墨化度且孔结构和比表面积可控的多孔碳纳米纤维;将制备的碳纳米纤维用于接近室温下(20℃)对低质量浓度NO(50 mg/L)的催化氧化脱除。结果表明:不同碳纳米纤维的石墨化度对低浓度的NO呈现出不同的催化活性,同时对碳纳米纤维的孔结构和比表面积也有规律性的影响,当石墨化度为0.85时对NO的催化氧化效率最大为3.4%。     

Hemocompatibility of DLC coatings synthesized by ion beam assisted deposition

Ion beam-assisted diamond-like carbon (DLC) coatings have been used for growing the human platelet, fibrinogen, and albumin in the control environment in order to assess their hemocom-patibility. The hard carbon films were prepared on polymethylmethacrylate (PMMA) at room temperature using ion beam assisted deposition (IBAD). Raman spectroscopic analysis proved that the carbon films on PMMA are diamond-like with a higher fraction of sp3 bonds in the structure of mixed sp2 + sp3 bonding. The blood protein adsorption tests showed that DLC coatings can adsorb more albumin and are slightly more fibrinogen than the PMMA chosen as a control sample. The platelets adhered on DLC coatings were reduced significantly in number. These results indicate good hemocompatibility of DLC coatings.     

脉冲多弧离子镀制备类金刚石薄膜的结构分析

利用脉冲多弧离子镀技术在硅基底上沉积类金刚石薄膜．喇曼光谱和Ｘ 射线衍射分析表明：类金刚石薄膜是无定形结构;利用扫描电镜发现：类金刚石薄膜表面不光滑,石墨颗粒的大小和密度随厚度增加而增加,但薄膜致密．     

Chemieal Bonding States of TiC Films before and after Hydrogen Ion Irradiation

TiC films deposited by rf magnetron sputtering followed by Ar＋ ion bombardment were irradiated with a hydrogen ion beam. X-ray photoelectron spectroscopy （XPS） was used for characterization of the chemical bonding states of C and Ti elements of the TiC films before and after hydrogen ion irradiation, in order to understand the effect of hydrogen ion irradiation on the films and to study the mechanism of hydrogen resistance of TiC films. Conclusions can be drawn that ion bombardment at moderate energy can cause preferential physical sputtering of carbon atoms from the surface of low atomic number （Z） material. This means that ion beam bombardment leads to the formation of a non-stoichiometric composition of TiC on the surface. TiC films prepared by ion beam mixing have the more excellent characteristic of hydrogen resistance. One important cause, in addition tO TiC itself, is that there are many vacant sites in TiC created by ion beam mixing. These defects can easily trap hydrogen and effectively enhance the effect of hydrogen resistance.     

AIB用于改进PLD沉积在机械瓣膜上的类金刚石膜的质量

用脉冲激光沉积(PLD)法在热解C制作的人工心脏机械瓣膜上沉积类金刚石(DLC)薄膜,并用3KeV的氩离子轰击(AIB)DLC薄膜。采用拉曼(Raman)光谱和X射线光电子能谱(XPS)分别对AIB前后的DLC薄膜进行检测分析,用光学显微镜观察AIB前后的DLC薄膜表面。实验结果表明:AIB不影响薄膜的黏附性。但是可以在一定程度上导致薄膜微观结构的变化和sp3/sp2比值的提高,可以在薄膜中掺杂微量的Ar元素,可以有效消除薄膜表面吸附的O,但对薄膜中C-O、C=O和COOH的影响较小。因此,离子轰击法可以作为一种改进类金刚石薄膜质量的方法。     

脉冲电弧离子源镀膜均匀性研究

薄膜厚度的均匀性是影响沉积方法应用的一个重要因素，利用脉冲电弧离子镀技术在硅基片上沉积类金刚石薄膜，并用轮廓仪对薄膜的厚度进行测量，研究了不同参数对薄膜均匀性的影响。结果表明：离子源阴极和基片的距离、主回路工作电压以及沉积频率都不同程度地影响薄均匀性，文章还就不同类型离子源对薄膜均匀性的影响进行了探讨。     

类金刚石薄膜的离子注氮研究

以25～35kV的高能离子束将离子化的双原子分子N+2注入非晶态碳膜,硬度可提高10GPa量级.分析研究表明:离子注氮并没有改变碳膜的非晶态结构,但所有拉曼结构参数发生变化,且碳、氮结合能峰位发生化学位移;显然注入的氮和碳形成化学键,并可能形成新相. 结论:类金刚石薄膜离子注氮可合成氮化的类金刚石,改变化学结构,提高机械性能.     

强激光辐照对无氢DLC膜光学特性的影响

为了探索类金刚石薄膜激光损伤的原因,研究了在激光作用下类金刚石薄膜的光学性能和结构的变化.采用非平衡磁控溅射(Unbalance Magnetron Sputtering,UBMS)在Si基底上制备了无氢类金刚石薄膜(Diamond-Like Carbon,DLC).利用激光损伤测试系统对无氢DLC薄膜进行激光辐照,激光波长为1064 nm,脉宽为10 ns.对辐照前后进行了透过率、激光损伤阈值(Laser-Induced Damage Threshold,LIDT)及拉曼光谱测试.研究结果表明:当激光辐照能量密度从0升高至0.93 J/cm2时,透过率峰值从67.06％降至58.27％;当激光能量密度一定,脉冲次数从0增加至3时,透过率峰值从67.06％降至57.65％,LIDT从0.94降至0.50 J/cm2,通过对Raman光谱进行分析认为辐照过程中sp3向sp2的转变是导致透过率和LIDT降低的重要原因.     

Synthesis of boron-doped diamond/porous Ti composite materials — Effect of carbon concentration

Highly boron-doped diamond films were deposited on porous titanium substrates by hot filament chemical vapor deposition technique.The morphology variation of highly boron-doped diamond films grown on porous titanium substrates was investigated,and the effects of carbon concentration on nucleation density and diamond growth were also studied.The continuous change of surface morphology and structure of diamond film were characterized by scanning electron microscopy.The structures of diamond film and interlayer were analyzed by X-ray diffraction.The quality of boron-doped diamond film was confirmed by visible Raman spectroscopy.The experimental results reveal that surface morphology and quality of boron-doped diamond films are various due to the change of carbon concentration.The thickness of intermediate layer decreases with the carbon concentration increasing.     

射频等离子体制备类金刚石薄膜及其表征

采用射频等离子体技术,以CH4和H2为反应气体,在单晶硅片和载玻玻璃片上成功制备出了高质量的类金刚石薄膜．采用扫描电镜、原子力显微镜、Raman光谱、红外光谱、显微硬度计表征了类金刚石薄膜的表面形貌、微观结构、光学性能和复合硬度．结果表明,制备出的类金刚石薄膜表面十分平整光滑,表面粗糙度极低,平均粗糙度Ra为0．492nm;薄膜中含有sp^2,sp^3杂化键,具有典型的类金刚石结构特征;光学透过率比较高,薄膜的复合硬度可以高达507．3kgf／cm^2．     

硬质合金刀片上微波等离子沉积(类)金刚石薄膜结构

本文报导采用最新的微波等离子体技术在硬质合金刀具上沉积的碳膜的结构.经扫描电镜、拉曼光谱、X射线衍射和光电子能谱分析,确定此沉积膜为类金刚石薄膜,其结构既不同于具有完整空间排列规律的金刚石结构,也不同于空间排列无层次的无定形碳膜结构,而是介于二者之间. 扫描电镜观察还表明,沉积膜与基体附着性和耐磨性能良好。