类金刚石薄膜及研究

磁过滤直流真空阴极弧沉积类金刚石膜的结构和力学性能研究祝土富，沈丽如，徐桂东（核工业西南物理研究院，成都610041）[摘要] 采用磁过滤直流真空阴极弧沉积技术在不锈钢基体上制备了类金刚石（DLC）膜。

利用光学显微镜、台阶仪、X射线光电子能谱、Raman光谱、显微硬度计、摩擦磨损仪、洛氏硬度计检测了薄膜的表面形貌、厚度、结构和相关力学特征。

结果表明，膜中仍然存在着um级的大颗粒分布，膜厚为290nm，sp3键含量较高，在空气中的摩擦系数约为0.25，耐磨性能优良，膜与基体的结合性能良好。

[关键词]磁过滤真空阴极弧；DLC膜；结构；摩擦磨损性能Micro-structure and Mechanical Properties of Diamond-like CarbonFilmsDeposited by DC Filtered Cathodic Vacuum Arc TechnologyZHU Tufu, SHEN Liru, XU Guidong( Southwestern Institute of Physics, chendu 610041, China )[Abstract]Diamond-like carbon (DLC) films were deposited on stainless steel substrate by DC filtered cathodic vacuum arc technology. The structure and morphology of the films were studied by X-ray photoelectron spectroscopy(XPS), Raman spectroscope and optical microscope. The thickness of the films was measured by surface profilometer.The mechanical properties were investigated by ball-on-disk tribometer, micro hardness tester and Rockwell apparatus. The resultsshowed that there were still some large particulates with magnitude of microns existed in the films. The thickness of the films was 290 nm. The content of sp3 bonding carbon atoms was quite high. The Friction coefficient of the films was about 0.25. The films exhibited excellent wear resistance. The adhesion of the films to substrate was very well.[Keywords]filtered cathodic vacuum arc; DLC films; structure; friction and wear behaviour1．引言类金刚石（DLC）膜是一种含有大量sp3键的亚稳态非晶碳薄膜，碳原子间主要以sp3和sp2杂化键结合，sp3键的含量越多，薄膜的性能就越接近于金刚石。

DLC膜类金刚石膜(Diamond-Like-Carbon，DLC)，是一种非晶碳膜，它具有类似天然金刚石的许多性质，如高硬度、低摩擦系数、高电阻率、良好的光学性能、高化学稳定性等[1,2]。

因此，DLC膜广泛应用于机械、磁记录技术、光电、激光等领域，从20世纪80年代以来一直是薄膜技术领域研究的热点之一。

由于制备方法和采用的碳原子载气相沉积(PVD)制备的。

体不同，生成的DLC 膜中原子的键合方式(有C-H、C- C)及碳原子之间的键合方式(有sp2、sp3等)有所不同，并且各种键合方式的比例不同。

因此DLC膜是范围很大的一类非晶碳膜，为sp2、sp3键共存(石墨为sp2键、金刚石为sp3键)。

根据膜中含氢与否可分为无氢和含氢DLC，即ta-C和ta-C:H。

含氢的类金刚石膜是通过化学气相沉积(CVD)制备的，而不含氢的类金刚石膜是通过物理不同工艺制备的DLC的成分、结构和性能相差较大，一般把硬度超过金刚石硬度20%的绝缘无定型非晶碳膜称为类金刚石膜。

图1是类金刚石的C-H相图[3]，可以看出，只有相图的上半部分才能形成DLC，图中ta-C和ta-C:H的区域即DLC的形成区域，它们均是含sp3键较多的区域。

典型的ta-C:H膜含sp3部分要少于50%，而ta-C膜(即四面体碳ta-C)包含85%甚至更高含量的sp3键。

图1 类金刚石C-H图在直流放电等离子体中，Whitmell和Williamson首次用碳氢气体制备了DLC 膜。

此后，DLC膜已被多种方法制备，它们的主要共同特征都是在粒子轰击的条件下成膜的，荷能离子对膜生长表面的轰击对其sp3键结构的形成起着关键的作用，故又称之为离子碳膜，并记为i-C。

到目前为止，类金刚石膜的制备方法大致可以分为两大类：物理气相沉积法和等离子体辅助化学气相沉积法(PECVD)。

前者包括蒸发镀膜、磁控溅射、离子束镀膜、脉冲激光沉积、激光-离子束沉积、磁过滤真空弧沉积方法等。

类金刚石薄膜球盘法测试类金刚石薄膜的摩擦磨损性能1范围本文件为类金刚石（DLC）薄膜的摩擦系数和比磨损率的测定规定了流程并提供了指导。

该方法规定材料在干燥条件下，采用球对盘结构配副进行测试。

本文件不适用于DLC薄膜涂层的部件在润滑环境下的测试。

2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。

其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T1182，产品几何技术规范（GPS）—几何公差-形状、方向、位置和跳动公差（GB/T1182-2018，ISO1101，MOD）GB/T6062，产品几何技术规范（GPS）—表面结构：轮廓法—接触（触针）式仪器的标称特性（GB/T 6062-2009，ISO3274，IDT）GB/T308.1，滚动轴承—球—第1部分：钢球（GB/T308.1-2013，ISO ISO3290-1，NEQ）GB/T308.2，滚动轴承—滚珠—第2部分：陶瓷滚珠（GB/T308.2-2010，ISO3290-2，IDT）ISO3611，产品几何技术规范（GPS）—尺寸测量设备：外部测量用千分尺-设计和计量特性GB/T10610，产品几何技术规范（GPS）—表面结构：轮廓法表面结构—术语，定义及参数（GB/T 10610-2009，ISO4287，IDT）ISO13385-1，产品几何技术规范（GPS）—尺寸测量设备—第1部分：卡尺；设计和计量特性ISO80000-1:2009，量和单位—第1部分：总则3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。

磨损Wear固体材料由于与一种或多种材料接触发生相对运动，其表面质量逐渐减少的过程。

磨损测试Wear Test滑动接触中材料摩擦磨损性能的评价方法。

球盘试验法Ball-on-disc Method在一定载荷下，将球形试样接触到旋转的圆盘试样上，从而产生滑动接触的磨损试验。

oDLC类金刚石镀膜技术知识介绍DLC（类金刚石薄膜）定义：类金刚石薄膜是近年兴起的一种以sp3和 sp2键的形式结合生成的亚稳态材料，兼具了金刚石和石墨的优良特性，而具有高硬度.高电阻率.良好光学性能以及优秀的摩擦学特性。

类金刚石薄膜通常又被人们称为DLC薄膜，是英文词汇Diamond Like Carbon的简称，它是一类性质近似于金刚石，具有高硬度.高电阻率.良好光学性能等，同时又具有自身独特摩擦学特性的非晶碳薄膜。

DLC薄膜性能机械性能：高硬度和高弹性模量、优异的耐磨性、低摩擦系数电学性能：表面电阻高化学惰性大光学性能：DLC膜在可见光区通常是吸收的，在红外去具有很高的透过率稳定性：亚稳态的材料、热稳定性很差，400摄氏度oDLC镀膜技术解析：oDLC镀膜技术，是指通过纳米镀膜技术将DLC(类金刚石薄膜)均匀地沉积于钢化玻璃或者物质表面，形成一层独特的保护膜。

借助类金刚石薄膜自身的高硬度优势提高钢化玻璃的表面硬度，改善其防刮抗压性能。

、oDLC镀膜技术的应用由于DLC类金刚石有着和金刚石几乎一样的性质，因此，它的产品被广泛应用到机械、电子、光学和医学等各个领域。

同时类金刚石膜有着比金刚石膜更高的新能价格比，所以相当广泛的领域内可以代替金刚石膜。

1、机械领域的应用①用于防止金属化学腐蚀和划伤方面②磁介质保护膜2、电子领域的应用①UISI芯片的BEOL互联结构的低K值的材料②碳膜和DLC薄膜交替出现的多层结构构造共振隧道效应的多量子阱结构3、光学领域的应用①塑料和聚碳酸酯等低熔点材料组成的光学透镜表面抗磨损保护层②DLC膜为性能极佳的发光材料之一：光学隙带范围宽，室温下光致发光和电致发光率都很高。

4、医学领域的应用①在人工心脏瓣膜的不锈钢或钛合金表面沉积DLC膜能同时满足机械性能、耐腐蚀性能和生物相溶性要求②人工关节承受的抗磨性简而言之，类金刚石膜由于其良好的性能和广泛的应用，正受到越来越多的关注，近段时间由信利光电推出的金刚盾钢化膜正式采用了oDLC镀膜技术。

类金刚石薄膜及其进展苏俊宏;葛锦蔓;徐均琪;吴慎将;陈磊【摘要】为了使研究者能更详细地了解类金刚石(DLC)薄膜的研究现状,综述了类金刚石薄膜的特性及应用,分析对比了目前常用的一些类金刚石薄膜的制备方法,包括物理气相沉积法(PVD)和化学气相沉积法(CVD),并对类金刚石薄膜的抗强激光损伤特性以及提高其激光损伤阈值的方法进行了论述.结果发现,利用PVD法制备的DLC膜的硬度可以达到40 GPa～80 GPa,且薄膜的残余应力可以达到0.9 GPa～2.2 GPa之间,而CVD法则由于反应气体的充入导致类DLC薄膜的沉积速率大大降低,故使用率不高.同时,优化膜系的电场强度设计,采用合理的制备工艺,进行激光辐照后处理,施加外界电场干预均可有效地提高DLC薄膜的抗激光损伤能力,且目前的DLC薄膜的激光损伤阈值可达到2.4 J/cm2.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2015(036)005【总页数】8页(P799-806)【关键词】薄膜;类金刚石;制备工艺;激光损伤【作者】苏俊宏;葛锦蔓;徐均琪;吴慎将;陈磊【作者单位】西安工业大学光电工程学院,陕西西安710032;南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京210094;西安工业大学光电工程学院,陕西西安710032;南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京210094;西安工业大学光电工程学院,陕西西安710032;西安工业大学光电工程学院,陕西西安710032;南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】O484引言类金刚石（diamond－like carbon，DLC）薄膜是以sp3、sp2键结合为主体，并混合有少量sp1键的远程无序立体网状非晶态结构，这种结构使得DLC薄膜具有一系列优良的物理化学性能，如红外波段透明、硬度高、摩擦系数小、化学性能稳定、热膨胀系数小等，从而使该薄膜在光学、电学、材料、机械、医学、航空航天等领域引起了科研工作者的广泛关注［1－4］。

类金刚石碳膜的制备及其机械性能和应用类金刚石碳（diamond-like carbon ）膜简称DLC膜，是一类物理和化学性质类似于金刚石且具有独特摩擦学特性的非晶碳膜。

类金刚石碳膜易于大面积沉积，沉积速度快，沉积温度低，可采用金属和非金属材料作为衬底，加之其所具有的优良物理化学以及机械性能，所以具有重大的实用价值。

本文着重阐述类DLC膜的制备方法、机械性能及其在机械方面和其他一些领域的应用。

一、制备方法DLC膜的制备技术日益成熟，以下简单介绍常见的几种方法：1.等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)法（1）直流辉光放电(DG)法。

直流辉光放电法就是利用高压直流负偏压(-2至-5kV)，使低压碳氢气体发生辉光放电，从而产生等离子体，等离子体在电场作用下轰击基体，并沉积成膜。

（2）热丝放电(HFG)法。

热丝放电法是在直流放电法的基础上发展而来的。

在阴极板的上面放一Mo丝，沉积DLC膜时，加热Mo丝到1100℃，产生大量热电子，这些电子将中和膜面沉积的正电荷，减小电荷积累所产生的电压降。

（3）射频辉光放电(RFG)法。

射频辉光放电法有两种形式：感应圈式和平行板电容偶合式。

对于感应圈式，当感应圈接上射频电源时，低压碳氢气体发生辉光放电而分解，形成等离子体，在基体上沉积成膜。

（4）双射频辉光放电(RF-RF)法。

用此法制备的DLC膜致密、无针眼、压应力低。

（5）射频-直流(RF-DC)法。

射频-直流法就是在射频辉光放电法的基础上加一直流电源，这样等离子体在直流负偏压和射频自负偏压的共同作用下轰击基体表面。

2.物理气相沉积(PVD)法（1）直流磁控溅射(DMS)法。

其基本原理是，受磁场控制的电子在低压下轰击氩原子，使之电离成氩离子，高能氩离子轰击石墨靶，溅射出碳原子，在基体上沉积成膜。

（2）射频溅射(RFS)法。

射频溅射法和射频辉光放电法很相似，只不过基体在阳极，石墨靶作为阴极。

石墨靶在射频振荡激发的氩原于轰击下，溅射出碳原子，在基体上沉积成膜。