DLC膜的性能及常见制备方法

学术工业农业 2024-09-04 13:35 中国

类金刚石膜具有良好的力学性能、电学性能、光学性能,极高的硬度、电阻率、电绝缘强度和热导率、高红外透射性和光学折射率,以及良好的化学稳定性和生物相容性,因而具有广泛的应用，薄膜中sp3键与sp2键数量比是决定类金刚石薄膜硬度的主要因素,其值越大,硬度越高,因此,类金刚石膜具有可调节的高硬度,其硬度值上限接近金刚石的硬度(100 GPa),达95GPa。硬度与DLC结构有关,

因此与制备方法有关.应用磁过滤阴极电弧法(FVCA)制备的DLC膜具有与金刚石膜相近的硬度;真空阴极电弧法(VCAD)制备的DLC膜硬度在HV5000以上;而磁控溅射法制备的DLC膜硬度较低一般在HV2000以下.另外,沉积工艺和掺杂对DLC膜的硬度也有影响.适当的偏压、压强和气氛可不同程度地提高DLC膜的硬度.大部分实验表明掺杂使DLC膜的硬度有不同程度的下降,但也有人认为Si的掺入可以提高DLC膜的硬度.DLC膜中一般存在较大的内应力.内应力不仅与DLC膜的结构、组份有关,还与成膜的工艺有很大关系.如在H-DLC膜中,内应力与H含量有很大关系.

在保持DLC膜高硬度的同时,掺入N,Si及某些金属元素可降低内应力.内应力对DLC膜与基底的结合性能有较大影响.在基底上直接沉积DLC膜,膜的结合力一般较差.DLC膜越薄,膜与衬底的结合力越好.另外,通过在DLC膜与基底之间加入过渡层也可增强膜的粘附性.如用Cr做过渡层,显著改善了膜与基底的结合状况;不同的基底对过度层不同。由于DLC膜硬度很高,因而具有优异的耐磨性,而且其摩擦系数低,所以是一种优异的表面改性材料.正因为DLC膜具有如上优异的性能,因此得到了广泛的应用.DLC膜非常适合用于工具涂层.DLC膜的制备工艺发展迅速,已经开发出多种制备方法.这些方法大体分为两大类:物理气相沉积法(physical vapor deposition简称PVD)、化学气相沉积法(chemical vapor deposition简称CVD)及等离子增强化学气相沉积法(PECVD).

物理气相沉积法包括真空蒸发、电阻加热蒸发、感应加热蒸镀、热阴极离子镀、电弧离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀、直流放电离子镀等,其突出特点是把各种气体放电引入气相沉积,使得整个沉积过程都在等离子体中进行,大大提高了粒子能量.离子镀的成膜速度快,膜基结合力好,膜层的绕镀性好,可以在较低温度下进行沉积.磁过滤阴极真空弧沉积(FCVA)技术采用磁过滤线圈过滤掉弧源产生的大颗粒和中性原子,使到达衬底的几乎全部是碳离子,可以用较高的沉积速率制备出无氢DLC膜.有人采用FCVA技术做出sp3键含量高达90%、硬度高达95 GPa的无氢碳膜,其性质与多晶金刚石材料相近.溅射镀是利用辉光放电、阴极溅射原理进行镀膜的.磁控溅射方法是通过直流中频或者射频方式利用氩离子Ar溅射石墨靶材,溅射出的碳原子的能量分布依溅射离子的能量和种类而不同.该法的优点是沉积温度较低、设备简单、沉积面积大,可以沉积高阻膜和绝缘膜。化学气相沉积(CVD)法和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法化学气相沉积是一种化学相反应生长法.是将几种化合物或单质反应气体通入反应腔中,在气固界面进行分解、解吸、化合反应生成均匀一致的固体膜.化学气相沉积主要的方法有:常压、低压下的高低温化学气相沉积、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、等离子体辅助化学气相沉积(PVCD)和激光化学气相沉积(LCVD)等.而最主要的是等离子体辅助化学气相沉积.

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