类金刚石薄膜材料
类金刚石薄膜 资料介绍
类金刚石膜技术基础一、类金刚石薄膜发展史：金刚石、类金刚石薄膜技术，是指利用各种光学薄膜制作技术制作接近天然金刚石和人造单晶金刚石特性（如在较宽光谱内均具有很高的光透过率－－在2～15μm（微米）范围光的吸收率低到1％；具有很高的硬度、良好的导热性、耐腐蚀性以及化学稳定性高－－1000℃（摄氏度）以上仍保持其化学稳定性等）的人造多晶金刚石薄膜、类金刚石薄膜（又称为硬碳膜、离子碳膜、或透明碳膜）的一种技术。
光学应用金刚石、类金刚石薄膜主要采用低压化学汽相沉积（CVD）技术制备。
低压CVD 技术包括热丝CVD法、等离子体CVD法、离子束蒸镀法、光/激光CVD法附加活性氢激光CVD 法等。
目前，CVD法制作金刚石薄膜已取得丰硕成果，但作为红外光学薄膜应用还需进一步解决金刚石薄膜对红外光学材料的粘着性和光散射的问题。
CVD法制作的金刚石薄膜与硅基片的粘着性是不错的，但是与其他材料（如锗、硫化锌等）基片的粘着性就甚差，或是根本就粘着不到一起去。
对于光散射的问题，则是要求如何更好地控制金刚石薄膜表面形态和晶粒结构。
理想的CVD法制造的红外光学应用的金刚石薄膜或许是一种单晶结构的膜，但是，目前使用CVD法还不能制造单晶结构的金刚石薄膜。
此外，大面积薄膜的制作、膜的光洁度等技术课题以及金刚石薄膜的制作成本问题，都有待于继续研究解决。
1.1金刚石、类金刚石薄膜研究进程自1963年在一次偶然的机会出现了不寻常的硬度和化学性能好的化学汽相沉积（CVD）碳形式的薄膜后,国外有不少研究单位开始研究金刚石薄膜的沉积工艺.1971年,艾森伯格（Aisenberg）和沙博（Chabot）等人,利用离子束蒸镀法,以石墨作薄膜材料,通过氩气弧光放电使石墨分解电离产生碳离子。
碳离子经磁场聚焦成束,在比较高的真空条件下,在低压沉积室内的室温下的基片上沉积出了硬碳膜。
这种硬碳膜具有近似于金刚石的一些特性－如透明度高、电阻抗大、硬度高等。
我国类金刚石薄膜主要制备技术及研究现状
• 5.医疗设备和器具：手术刀片，手术剪， 心脏瓣膜，人工关节，血管支架。 • 6.内燃机工业：燃料喷射系统（气门挺杆， 柱塞，喷油嘴），动力传动系统（齿轮 轴 承 凸轮轴），活塞部件（活塞环，活塞 销），门扣锁，内饰。 • 7.娱乐健身：扬声器振膜，移动硬盘，光 盘，高尔夫球具，自行车部件，剃须刀片。 • 8.光学：红外增透膜，减反射膜，玻璃镀 膜，镜片镀膜，亚克力镀膜，保护膜。 • 9.装饰镀膜：手机外壳，高档手表，室内 外五金卫浴产品，饰品。 • 10.航空航天 ：飞机，导弹整流罩镀膜， 卫星，太阳能电池镀膜。
激光法制备DLC膜的发展趋势
• DLC膜的沉积方法可分为物理沉积法和 化学沉积法两大类。化学沉积法已十分成 熟，但由于化学法沉积的DLC膜必然含氢， 导致膜层化学稳定性、热稳定性、硬度、 附着力较差。此外，化学法均需要在高温 下(>400oC)沉积，对于不耐高温的材料(如 玻璃、硫化锌等)无法在上面镀DLC膜；对 于耐高温的材料，虽然化学法可以镀膜， 但由于DLC膜热膨胀系数很小，和衬底热膨 胀系数差异大，沉积完成后，膜内部会产 生较大的热应力，甚至导致薄膜起皮、剥 落。因此，世界各国近年来都在积极开展 可以制备无氢DLC膜的物理沉积法研究。
我国类金刚石薄膜主要制备技 术及研究现状
汇报人：王培东 指导老师：胡鹏飞
主要内容
一、类金刚石薄膜介绍 二、类金刚石薄膜制备技术 三、类金刚石薄膜应用 四、类金刚石薄膜应用展望
一、类金刚石薄膜介绍
• 类金刚石薄膜(DiamondLike Carbon)是金刚石 的sp3杂化和石墨sp2杂 化两种结合键作为骨架 构成的非晶态碳膜，简 单地讲，由纳米级的金 刚石和碳混合形成，金 刚石占20%-80%。由sp3 结合的金刚石和sp2结合 的石墨与H(氢)组成的三 元相图右图：
6.第六讲-正确选用类DLC涂层工艺
第六节正确选用DLC (类金刚石)涂层类金刚石diamond-like carbon，简称DLC薄膜，涂层的主要成分为碳，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、航空航天等领域广泛应用。
由于制备技术和方法不同，DLC膜可能完全由碳元素组成，也可能含有大量的氢，因此一般来说，可将DLC薄膜分为含氢碳膜和不含氢碳膜。
根据薄膜中原子的键合方式(C-H、C-C、sp3、sp2等)及各种键比例不同，DLC膜又有不同的称谓：◎非晶碳(amorphous carbon，a-C)膜，膜中sp2键含量较高；◎含氢非晶碳(hydrogenated amor-phous carbon，a-C:H)膜；◎四面体非晶碳(tetra-hedral amorphous carbon，ta-C)膜，sp3键含量超过70%，也称非晶金刚石膜。
事实上，目前对DLC薄膜尚无明确的定义和统一的概念，但若以其宏观性质而论，国际上广为接受的标准为硬度达到天然金刚石硬度20%的绝缘无定形碳膜就称为DLC薄膜。
一、DLC膜的制备技术：DLC薄膜已经开发了许多种沉积方法，大体上可以分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类。
PVD方法是在真空下加热或离化蒸发材料(石墨)，使蒸发粒子沉积在基片表面形成薄膜的一种方法。
按照加热方式不同，热蒸发有激光蒸发、电弧蒸发、电子束加热等方法。
溅射沉积是用高能离子轰击靶物质(石墨)，与靶表面原子发生弹性或非弹性碰撞，结果部分靶表面原子或原子团溅射出来，沉积在基板上形成薄膜。
CVD方法是在真空室内通入碳的氢化物、卤化物、氧化物，通过气体放电，在一定条件下促使它们发生分解、聚合、氧化、还原等化学反应过程，在基板上形成DLC薄膜的方法。
金刚石薄膜的性质、制备及应用
金刚石薄膜的性质、制备及应用金刚石薄膜因其独特的物理、化学性质而备受。
作为一种具有高硬度、高熔点、优良光学和电学性能的材料，金刚石薄膜在许多领域具有广泛的应用前景。
本文将详细探讨金刚石薄膜的性质、制备方法以及在各个领域中的应用，旨在为相关领域的研究提供参考和借鉴。
金刚石薄膜具有许多优异的物理和化学性质。
金刚石是已知的世界上最硬的物质，其硬度远高于其他天然矿物。
金刚石的熔点高达3550℃，远高于其他碳材料。
金刚石还具有优良的光学和电学性能。
其透明度较高，可用于制造高效光电设备。
同时，金刚石具有优异的热导率和电绝缘性能，使其在高温和强电场环境下具有广泛的应用潜力。
制备金刚石薄膜的方法主要有物理法、化学法和电子束物理法等。
物理法包括热解吸和化学气相沉积等，可制备高纯度、高质量的金刚石薄膜。
化学法主要包括有机化学气相沉积和溶液法等，具有沉积速率快、设备简单等优点。
电子束物理法是一种较为新兴的方法，具有较高的沉积速率和良好的薄膜质量。
各种方法的优劣和适用范围因具体应用场景而异，需根据实际需求进行选择。
光电领域：金刚石薄膜具有优良的光学性能，可用于制造高效光电设备。
例如，利用金刚石薄膜制造的太阳能电池可将更多的光能转化为电能。
金刚石薄膜还可用于制造高品质的激光器、光电探测器和光学窗口等。
高温领域：金刚石的熔点高达3550℃，使其在高温环境下具有广泛的应用潜力。
例如，金刚石薄膜可应用于高温炉的制造，提高炉具的耐高温性能和加热效率。
金刚石薄膜还可用于制造高温传感器和热电偶等。
高压力领域：金刚石具有很高的硬度，使其在高压环境下保持稳定。
因此，金刚石薄膜可应用于高压设备的制造，如高压泵、超高压测试仪器等。
金刚石薄膜还可用于制造高精度的光学镜头和机械零件等。
本文对金刚石薄膜的性质、制备及应用进行了详细的探讨。
作为一种具有高硬度、高熔点、优良光学和电学性能的材料，金刚石薄膜在光电、高温、高压力等领域具有广泛的应用前景。
新材料概论——金刚石薄膜
新材料概论——金刚石薄膜金刚石是一种最坚硬的自然物质，由碳元素组成。
它的硬度远远超过其他任何材料，因此被广泛用于切割工具、磨料和研磨材料等领域。
然而，金刚石的应用受到其自然形态的限制，即大部分金刚石都以颗粒形式存在，而不是块体材料。
为了克服这个限制，科学家们研究出了一种新的材料，金刚石薄膜。
金刚石薄膜是一种由金刚石颗粒组成的薄层材料。
它可以通过化学气相沉积、物理气相沉积等方法制备而成。
金刚石薄膜具有许多优良的性质，包括极高的硬度、优异的热导性、良好的化学稳定性和优秀的光学特性等。
这些性质使金刚石薄膜在许多领域具有广泛的应用前景。
首先，金刚石薄膜的极高硬度使其成为理想的切割和磨削材料。
由于金刚石薄膜硬度大约是钢材的100倍，它可以用于制造高性能的切割刀具和磨料，用于加工硬质材料如玻璃、陶瓷和金属等。
金刚石薄膜的硬度也使其成为一种理想的涂层材料，可以提供耐磨、耐腐蚀和耐高温的性能。
其次，金刚石薄膜具有优异的热导性。
由于金刚石薄膜的热导率非常高，它可以用于制造高效的散热器和热管理器件。
这对于电子设备和光学器件等高功率和高温度应用非常重要，可以显著提高设备的稳定性和寿命。
此外，金刚石薄膜还具有良好的化学稳定性。
它在大多数化学溶剂和酸碱环境下都能保持稳定，不易发生腐蚀。
这使得金刚石薄膜在生物医学、环境监测和化学工程等领域具有广泛的应用潜力。
例如，金刚石薄膜可以用于制备生物传感器和电化学传感器，用于检测生物分子和环境污染物。
最后，金刚石薄膜还具有优秀的光学特性。
它具有高透明度和低吸收率，可以在广泛的光学波段内传输光线。
这使得金刚石薄膜在光学器件、光学涂层和光学传感器等领域具有广泛的应用。
例如，金刚石薄膜可以用于制造高性能的光学窗口、激光镜片和光学纤维等。
综上所述，金刚石薄膜是一种具有极高硬度、优异热导性、良好化学稳定性和光学特性的新材料。
它可以应用于切割工具、磨料、涂层、散热器、生物医学、环境监测、光学器件等众多领域。
金刚石薄膜研究及在制造业中的应用
金刚石薄膜研究及在制造业中的应用金刚石薄膜是一种高科技材料，具有优异的机械、光学、电子性能，被广泛应用于各个领域。
随着科技的不断进步，金刚石薄膜研究也不断深入，其在制造业中的应用也更加广泛。
一、金刚石薄膜的制备技术金刚石薄膜的制备技术主要包括化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）两种方法。
CVD法是指将金刚石前体气体在热力学平衡条件下分解，沉积在衬底上形成金刚石薄膜。
该方法具有制备工艺简单、成本低等优点，但对设备和前体气体纯度要求较高，且易产生晶面取向不均匀等问题。
PVD法主要是利用离子束或者真空电镀等方法将金刚石材料沉积在衬底上。
该方法具有沉积速率快、晶面取向良好等优点，但缺点是设备复杂、制备周期长等。
二、金刚石薄膜在制造业中的应用1. 硬质合金刀具金刚石薄膜不仅硬度高，而且有优异的耐磨性能，使得其在制造业中的应用非常广泛，最为常见的应用就是硬质合金刀具。
生产硬质合金刀具的工艺主要包括两部分，即刀具材料的制备和刀具的制造加工。
其中，金刚石薄膜主要用于刀片的磨削和切削加工。
通过金刚石薄膜的应用，能够大幅提升硬质合金刀具的切削效率和耐磨性能。
2. IC制造IC制造是目前普遍应用金刚石薄膜的领域之一。
在IC生产过程中，金刚石薄膜可用作金属线路的保护层和刻蚀标记层，能够大幅提升IC制造的效率和稳定性。
为了提高IC器件的可靠性和生产效率，人们通过金刚石薄膜的应用，使IC器件的寿命更长，效率更高，品质更稳定。
3. 机械密封件机械密封件是金刚石薄膜在制造业中的另一个应用领域。
在高压、高温和强腐蚀环境下，金刚石薄膜的耐磨性、耐腐蚀性和高压强度能力非常优异，使得其广泛应用于机械密封件的制造过程中。
通过金刚石薄膜的应用，能够大幅提高机械密封件在高强度、高温度和腐蚀环境下的使用寿命和性能稳定性。
三、金刚石薄膜在未来的发展与应用随着人们对金刚石薄膜的研究不断深入，其未来的应用领域也会越来越广泛。
目前，有关金刚石薄膜材料的研究主要集中在以下几个方面：1. 提高金刚石薄膜的厚度和质量目前，金刚石薄膜的厚度仍然比较薄，只有几纳米，受到厚度限制的应用场景也较为有限。
类金刚石薄膜摩擦学性能研究现状
关键词 ： 类金 刚石薄膜 ； 摩擦 学性能 ； 热稳定性 ； 内应力 ； 掺杂； 多层膜
１栩谜 梯度 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜。研究得出 ｗ掺杂梯度复合薄膜磨损率小于 ５ ２ ０ ｍ ３ ， ｓ ， 类金刚石稻 Ｌ Ｑ 系列含有 ｓ Ｐ ２ 键和 ｓ ｐ键非晶碳膜物质的总 明显改善 了样 品的抗磨损性 能 ， 且随着 ｗ 靶终 端电流的增大 ， 薄膜 称， 具有优异的机械陛能， 其较低的摩擦系数和磨损量使之成为一种理想 的磨损率逐渐变小 。马胜哥 、 于大洋等利用 中频孪生靶非平衡磁 控 溅射制备 了 Ｃ ｒ ＋ Ｔ ｉ ＋ Ｔ ｉ Ｎ Ｃ ＋ Ｔ ｉ Ｎ Ｃ ＋ Ｃ ／ Ｄ Ｌ Ｃ多层 硬质膜 。研 究表 明薄 膜 研究表明亚稳态的类金冈 ｌ 尊 膜处于热力学非平衡状态 ，其原子徘 为多层膜结构且各层之 间的元素呈梯度变化 ， 薄膜层 的显微 硬度 可 列表现为短程有序而长程无序， Ｔ Ｐ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ 两相模型和 Ｆ Ｃ Ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ 完全约 以达 到 Ｈ Ｖ ２ ０ ０ ０以上 ， 大大 提高 了 Ｄ Ｌ Ｃ膜与基体的结合力。 束网络椟基 猢 较为广泛的两种 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜模型目 。Ｄ Ｌ Ｃ薄膜中碳原子 ２ ２ 离子束沉积制备 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜 之问以共价键ｆ 日 结合， 含量较少的 Ｓ Ｐ 可以忽略不计 ， 因此 Ｄ Ｌ Ｃ 膜 的ｆ 生 质 离子束沉积具有良好的工艺可控陛， 沉积温度较低。 通过多种离子束 由Ｓ Ｐ ２ 和ｓ Ｐ ３ 的相对含量 泱定 ，因世 同工艺力怯 制备的 Ｄ Ｌ Ｃ膜的陛 沉积技术在 Ｄ Ｌ Ｃ膜 中添加其他元素可以制备多层 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜用 以提高 能ｌ 氆 所不同。 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜具有优良的物理化学 陛能， 其中包括高硬度和 Ｄ Ｌ Ｃ膜与基体的结合强度并改善薄膜的热稳定性。离子束辅助沉积法是 弹 陆漠量 、 低摩擦系数 、 高耐磨Ｉ 生、 高导热率 、 高电阻率、 良好的光学透过 以离子束沉积技术为基础 ， 在电子束蒸发沉积或离子束溅身 寸 移 Ｃ 积的同时 性、 化学隋性以及良好的生物相容眭等。 目前主要应用于机械 、 电子、 光学、 以高能离子束轰击沉积膜的生长表面用来提供形成 Ｄ Ｌ Ｃ膜的能量 。 离子 医学等领域。低摩擦系数是 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜极其重要的性能 ，研究人员关于 体增强气相沉积是以碳氢气体为碳源的辉光放电沉积技术，通常采用甲 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜的研究也大多集中在摩擦学领域 烷、 乙烷、 乙炔 、 苯、 丁烷作为碳源 ， 因而制得的 Ｄ Ｌ Ｃ膜都 定的氢。 ２ ＤＬ Ｃ薄膜制备及应用 朱宏等 人 使 用 源低能离子束辅助沉积方法制备了 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜， 薄膜 Ｄ Ｌ Ｃ薄嗅制备技术的研究开始于＝十世纪七十年代。离子束沉积技 中的碳原子主要以 Ｓ ｐ ２ 一 Ｃ的形式存在。研多 表明单携｝ ｆ 氐 能离子竦 泐 沉 术是最早用于制备薄膜的方法 ， １ ９ ７ １ 年Ａ ｉ ｓ ｅ ｎ ｂ ｅ ｒ ｇ和 Ｃ ｈ ａ Ｊ ） ｏ 谌刁 生 积的类金刚石薄膜摩撩眭能好、 硬度高 、 薄膜与基体结合力较高。薄膜的 室温下制备了绝缘的碳膜 ， 命 名为 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜 ， 并开始尝试用其构造薄膜 硬度随致密度｝ 勤Ⅱ 而增大 ， 寿命与其硬度基本成正比。薄膜与基体的结合 晶体管。随后 Ｓ ｐ ｅ ｎ ｃ ｅ ｒ 等人利用离子束增强沉积法制备了 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜并展 力达到某一定值后对其摩擦幽 的影响不大 ， 开了研究 。二十世纪七十年代后期研究 人员开始分别用直流和高频放电 撩 陛能有一定的影响。在制备的薄膜样品中， 以离子能量 １ ２ ０ ０ ｅ ｖ 时沉积 制得 ＤＬ Ｃ薄膜。 目 前磁控溅射技术已成为最常用的制备工艺。 样品的摩擦性能最好 ，适合用 Ｄ Ｌ Ｃ膜在生长过程 中由于薄膜与基体的物化 陛能不匹配会产生较 合。汤文杰、 张跃飞等采用等离子 仓 为等离子体聚合装置， 以甲烷为单 大的内应力， 限制了薄膜的厚度。 通 携练 ． 薄膜中添加金属耍 险 体 ， 氩气为工作气体在单晶硅片上沉积了 Ｄ Ｌ Ｃ 薄膜 ， 并对其获得的 Ｄ Ｌ Ｃ 属元素（ 如Ｔ ｉ 、 Ｃ ｒ 等） 可以 有效的降低薄膜内 应力。 另外 ， 当薄膜使用温度 薄膜的摩擦学性能进行了研究 ，认为薄膜极低的摩擦系数是氢含量较高 高于 ２ ５ ０ ￣ Ｃ 时易于发生石墨化影响其摩擦学陛能的应用， 通过多层膜技术 以及碳原子以ｓ Ｐ ３ 形式有 所 引起的。 Ｅ ｒ ｄ ｅ ｍ ｉ ｒ 等研究了离子 噌强化学 制备掺杂其他元素的多层 Ｄ Ｌ Ｃ膜可以有效 的改善薄膜的热稳定性。 ２ １ 磁控溅射制备 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜 度Ｒ Ｈ ＝ ５ ％－ ５ ０ ％的大气环境下 ， ＤＬ Ｃ 膜的摩擦系数会随着载荷的增大而 作为 Ｄ Ｌ Ｃ膜常用制备方法的磁控溅射技术具有沉积温度低、 沉积面 呈现出降低的趋势。这是由于 Ｄ Ｌ Ｃ膜在高载荷下更易发生石墨化转变 ， 积大等优 点，在一定程度 匕 符合工业生产的需要。通过磁控溅射技术在 在摩擦副表面形成转移膜 ， ６ ｌ 而使 曷部区域的润滑陆自 导 到改善。解志文 Ｄ Ｌ Ｃ膜中添加多种金属或者非金属元素可降低 Ｄ Ｌ Ｃ膜的内应力同时改 等采用等离子体沉积技术在 Ｇ Ｃ ｒ ｌ ５ 和２ Ｃ ｒ １ ３ 钢基体表面合成了 Ｔ ｉ ／ Ｄ Ｌ Ｃ 善薄膜的热稳定 陛。 磁控溅射技术以石墨为碳源， 以情 陛气体离子溅射石 和 Ｗ／ Ｄ Ｌ Ｃ纳米多层膜并分析了其摩擦学性能。 研究表明多层膜结构有效 墨靶产生碳原子和碳离子 ， 进而再基体表面沉积形成 Ｄ Ｌ Ｃ膜。通 ＾ 气体 地改善了 Ｄ Ｌ Ｃ膜和软基体的结合自 旨 力， 薄膜睡 彗 能好、 磨损量少 目 薄膜 为Ａ ｒ 和烷 气体） ｝ 昆 合气时还可获得含氢的Ｄ Ｌ Ｃ 膜。 的硬度和弹 幽 封 氐 。 赵之明采用磁控溅射技术用射频、 直流溅射法在 单晶硅片 、 抛光不锈 ２ ３ 真空阴极电弧沉积法市 备Ｄ Ｌ Ｃ薄膜 钢片、 玻璃基底表面制备了 Ｄ Ｌ Ｃ膜。 真空阴极电弧沉积设备简单 、 离化率大且沉积速率高 。 通过 瓜 装置 表面粗糙度低于直流磁控溅射制备的薄膜，并 目直流磁控溅射制备的薄 引燃电弧 ， 在电源的维持和磁场的推动下电弧在靶面游动， 电弧所经 披 联９ 挛擦系势 Ｌ 较低。张以忱、 巴德纠搀 研究 ＾ 员采用 中频磁姥 弛ｉ 于 沉 ≯ ｛ ｛ 导 碳被蒸发并离化进而沉积得到薄膜。西南交通大学材料工程学院徐禄祥、 到Ｄ Ｌ Ｃ复合薄膜并对其孪擦学性能进行了研究。 研究表明 Ｄ Ｌ Ｃ ／ Ｔ ｉ Ａ １ Ｎ薄 孙永 春等用磁过滤脉冲真空弧沉积技术在不 膜的耐磨眭要好于Ｔ ｉ Ａ １ Ｎ薄膜和 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜， Ｄ Ｌ Ｃ ／ Ｔ ｉ Ａ １ Ｎ薄膜的耐腐蚀胜 使得不锈钢表 面耐磨ｌ 生大幅压 ￡ 提高。 能略好于 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜。 孙丽丽等利用线 胜离子束混合磁控溅射技术在硅基 曾志翔采 用真空阴极电弧沉积法制备 了含氢 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜， 并对其在真 底上制备 Ｃ ｒ 过渡层和 ｃ ｒ 掺杂 Ｄ Ｌ Ｃ薄膜。研究发现增加 ｃ ｒ 过渡层或在 空和氮气中的摩擦学Ｉ 生 能进行研究 ， 发现 Ｄ Ｌ Ｃ Ｄ Ｌ Ｃ薄膜中掺杂 ｃ ｒ 后薄膜的内应力明显 良小， 同时薄膜的附着力和摩擦 数的大小关系为低真空 ＞空气 ＞ 干燥空气 ＞ 氮气， Ｎ ： 是保持低摩擦系数 性能得到了 明显的改善。 杨雨时等利用磁控溅射和 Ｐ Ｅ Ｃ Ｖ Ｄ 相结合的复合 因素，气氛中 Ｈ ： ０ 、 ０ ： 则会增大 Ｄ Ｌ Ｃ 薄膜的 沉积技术， 制备了 Ｗ— Ｄ Ｌ Ｃ薄膜。 研究发现对于 Ｗ— Ｄ Ｌ Ｃ薄膜 的工 摩擦系数。 艺条件下， 均可制备出厚度超过 ５ ｍ的薄膜。选择合适的工艺参数和钨 ３ ＤＬ Ｏ薄膜摩擦学应用展望 的掺杂比冽， 可以有效地提高薄膜的硬度， 降低薄膜的内 应力和磨损率并 固体润滑剂的出现 ， 既弥补了流体及半流体润滑剂（ 如润滑油 、 润滑 减小薄膜的摩擦系数。杨义勇用离子束辅助非 脂） 不能再苛刻条件下有
类金刚石薄膜
类金刚石薄膜材料班级：材料物理081401姓名：谭旭松学号：2007140201241.1类金刚石薄膜材料的概述类金刚石薄膜（Diamond Like Carbon）简称DLC,它是一类性质近似于金刚石，以sp3和 sp2键杂化的碳原子空间网络结构的亚稳态非晶碳膜。
依据制备方法和工艺不同，DLC的性质可以在非常大的范围变化，既可能非常类似与金刚石，也可能非常类似与石墨。
其硬度、摩擦系数、导热率、光学带隙、光学透光率、电阻率等都可以依据需要进行“调制”。
一般类金刚石薄膜沉积温度较低、膜面平整光滑，因而在机械电子光学声学计算机的很多领域得到应用，如耐磨层、高频扬声器振膜、光学保护膜等，因此对DLC的开发研究引起很多材料工作者的极大关注。
自从1971年Aisenberg 和Chabot 两位科学家利用碳离子束沉积出DLC 薄膜以来，人们已经成功地研究出了许多物理气相沉积、化学气相沉积以及液相法制备DLC 薄膜的新方法和新技术。
这之中有两个法分别为气相法和沉积法。
1.2类金刚石薄膜材料的结构和分类常态下碳有三种键和方式：sp1，sp2，sp3。
在sp3态碳原子的四个电子按四面体形状分布成sp3杂化轨道，形成强σ键；在sp2态，碳原子的四个电子中的三个形成在同一平面内的三次轴对称的sp2杂化轨道，它们可形成强σ键第四个电子轨道与该平面垂直，形成π键；在sp1态，仅两个电子形成σ键，另两个电子形成π键。
金刚石（diamond）—碳碳以 sp3键的形式结合；石墨（graphite）—碳碳以sp2键的形式结合；而类金刚石（DLC）—碳碳则是以sp3和 sp2键的形式结合，生成的无定形碳的一种亚稳定形态，它没有严格的定义，可以包括很宽性质范围的非晶碳，因此兼具了金刚石和石墨的优良特性；所以由类金刚石而来的DLC膜同样是一种亚稳态长程无序的非晶材料，碳原子间的键合方式是共价键，主要包含sp2和sp3两种杂化键，因而类金刚石薄膜的结构和性能介于金刚石和石墨之间，收沉积环境和沉积方式影响类金刚石薄膜中还可能含有H等杂质，形成一定数量的C-H键。
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等离子体助化学积
• 等离子体沉积或等离子体增强化学气相沉 积（PECVD）是制备含氢DLC的最普通方 法。它涉及到碳氢化合物气源的射频等离 子体沉积，且需在基片上施加负偏压。由 于这些技术只能沉积含氢DLC，故此我们 将不再加以讨论。
直接气相沉积
• 直接光化学气相沉积是利用光子来激发反 应气体分解并沉积在基底表面，形成DLC 薄膜的技术。这种技术的特点是:薄膜沉积 时无高能粒子辐射，因而成膜时基底温度 相对较低。
合成DLC的主要突破是来自于脉冲激光 沉积（PLD）无氢DLC膜。PLD实验清除地 证明，氢的存在不是形成sp3键的必要条件。 来自脉冲激光束的高能光子将sp2键合碳原 子激发成C＊（激发碳）态，这些激发态碳 原子随后蔟合形成DLC膜，即 C（sp2键合）＋hｖ C＊ C＊＋C＊ （sp3键合） 因此，DLC合成方法可以分为两组：化 学气相沉积（CVD）和物理气相沉积 （PVD）方法。
等离子体增强化学气相沉积
等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是 沉积DLC膜的主要方法之一，也是目前非 常常用的沉积DLC膜的方法，它是以碳氢 气体为碳源的辉光放电沉积技术，PECVD 技术主要可分为直流辉光放电化学气相沉 积(DC-PECVD)、射频辉光放电化学气相沉 积(RF-PECVD)、电子回旋共振化学气相沉 积 (ECR-CVD)。由于该技术通常采用碳氢 气体作为碳源，如甲烷、乙烷、乙炔、苯、 丁烷等，因而制得的DLC膜都含有一定的 氢。PECVD具有沉积温度低，设备简单、 工件变形小、绕镀性能好、涂层均匀、调 制成分方便等优点。PECVD沉积的主要参 数有气压、功率以及气体源等。
• 这种技术的特点是:沉积的离子能量范围宽， 所制备的DLC薄膜均匀好，稳定性好等， 因此溅射沉积技术是工业上制备DLC薄膜 最常用的方法。但是，这种方法制备的 DLC薄膜吸收较大，无法很好地满足红外 窗口增透膜的应用要求。
• 磁控溅射已成为工业生产DLC涂层的主要 技术，因为它可以提供良好的过程控制， 并很容易调整以满足加工生产需要。 • 磁控溅射的缺点是，在低功率和低气压形 成的硬质膜的沉积率较低。
脉冲真空电弧离子镀技术是利用周期性 的脉冲电弧放电，短暂性的烧蚀阴极石墨 靶材，产生等离子体并沉积在基底上，形 成DLC薄膜。同连续真空电弧离子镀相比， 这种技术的特点是:电弧放电采用脉冲形 式，而且基底不需要加负偏压，这样可使 阴极靶面放电时产生的热量充分导走，避 免阴极表面局部微小熔化而产生熔滴，同 时也能够很好地解决大颗粒石墨的现象， 从而改善DLC薄膜质量。
离子束辅助沉积法(IBAD)是在离子 束技术的基础上发展起来的，是指在 真空热蒸发或离子束溅射沉积的同时， 利用高能离子束轰击正在生长的膜层， 然后通过动量转移，使得碳粒子获得 合适的能量，以形成高质量的DLC薄 膜。辅助离子束的束能通常在100800eV之间，它有利于膜基界面之间 的结合，制备出均匀致密的薄膜。同 时，离子束辅助沉积还可以提高DLC 薄膜中sP3键的含量，使膜层的性能得 到很大的改善。
激光熔融沉积
xm I (1 R) /(CvTm L)
• 在蒸发区，蒸发和熔融层的厚度可由下式给出：
m v m v • • 式中I为激光强度（W）；为比热；L为熔化潜热； 为 蒸发焓；ρ质量密度；R反射率；τ为脉冲持续时间； Tm为熔点。
x I (1 R) /(C T L H )
注入到激光熔融原子团的平均能量很高 （100～1000kT，k为波耳兹曼常数，T为绝对温 度），这一特性可以实现理想化学配比蒸发、低 温合成和新相形成。低温下，亚稳相的最重要的 例子是碳的熔融，脉冲激光熔融sp2键合碳导致 sp3键合DLC的形成。 脉冲激光熔融石墨靶，自1989年以来，已用 于制备无氢DLC膜，因此开始受到科学和技术界 的关注。PLA的特点是沉积过程是一个非平衡态 过程，在激光等离子体中所产生的原子基团具有 很高动能。例如，由平衡过程如电子束蒸发所产 生的原子基团的平均动能为约1kT，而由PLA产生 的平均动能则高达100～1000 kT。光子能量足以 使2s电子激发到2p轨道而形成sp3杂化，这是 DLC组分的先导物。目前，在制备高质量DLC膜 中，PLD和FCVA以及MSIB之间存在着竞争。
脉冲激光沉积（PLD）
• 脉冲激光沉积的作用机理可分为三个阶段， 首先激光与物质相互作用并产生等离子体， 然后等离子体的定向局域等温绝热膨胀发 射，最后在衬底表面凝结成膜。利用PLD技 术制备的DLC膜硬度高、结合力好，又不 需要较高的衬底温度，而且容易得到无氢 的DLC膜，这种技术进一步扩展了DLC膜 的应用。
制备方法
• 物理气相沉
（1）质量选择离子束 沉积 （2）溅射碳靶 （3）真空阴极电弧沉积 （4）脉冲激光沉积 （PLD） （5）脉冲激光熔融 （PLA）
• 化学气相沉积
（1）离子束沉积 （2）直流等离子体助CVD （3）射频等离子体助CVD （4）微波放电等
离子束沉积
• 离子束沉积是采用电弧蒸发石墨靶材或热丝 电子发射烃类气体的方式，产生碳或者碳氢离子， 然后通过电磁场加速并引向基底，使荷能离子沉 积于基底表面，形成DLC薄膜。离子束沉积的主 要工艺参数是离子束能，它决定成膜离子的能量， 从而影响DLC薄膜的结构，通常离子束能量控制 在100-1000eV之间。 • 这种技术的特点是:工艺参数(离子束能)可控 性好、沉积温度低、膜层sP3键含量高，但存在 薄膜沉积速率低、膜层内应力大、允许最大膜厚 小的问题。
类金刚石薄膜材料
DLC膜的制备
DLC薄膜概况
• 1971年德国的Aisenberg 采用碳离子束 首次制备出了具有金刚石特征的非晶态碳 膜,由于所制备的薄膜具有与金刚石相似的 优异性能,Aisenberg于1973年首次把它称 之为类金刚石(DLC)膜。DLC膜有着和金刚 石几乎一样的性质,如高硬度、耐磨损、高 表面光洁度、高电阻率、优良的场发射性 能,高透光率及化学惰性等,它的产品广泛应 用在机械、电子、光学和生物医学等各个 领域。尤其在光学领域，该技术在光学薄 膜制造及其应用方面, 突破了大面积、高均 匀性、高透射比、抗激光兼容的红外减反 射膜镀制关键技术, 并在军事和民用上得以 应用。
• 图PLD制备薄膜原理示意图
激光熔融，或更确切地说脉冲激光熔融(PLA)沉积 薄膜，在1987年成功沉积高转变温度超导膜 YBa2Cu3O7-δ以后，得到广泛普及。当强光束打到 固体时，光子将它们的能量在10-12秒内传递给电子， 而电子系统能量在秒内传递给声子，因此光子能量最 终以热的形式出现，它使固体以可控方式熔化和蒸发。 在熔化区，简单的热平衡可用于估计熔化深度
溅射沉积
溅射沉积主要是以石墨靶材为碳源，首 先利用阴极高压电离惰性气体(Ai、He)，然 后在电场的加速下获得动能并轰击石墨靶 材，溅射出碳原子或离子，最后沉积在基 底上，形成DLC薄膜。 溅射沉积技术的方法有很多，主要可以 分为磁控溅射(MagnetronsPuttering)、直流 溅射(DCsputtering)和射频溅射 (RFsputtering)。
磁控溅射
• 1片架，2基片，3电子，4正离子，5中性粒子 • 6靶，7阴极，8磁力线，9阳极，10阳极
真空阴极电弧沉积
• 真空阴极电弧沉积（VCAD）是近年来发展 起来的一种沉积DLC膜的方法。这种方法 是在惰性气体中以电弧放电烧蚀石墨靶产 生碳离子，基体施加负偏压来实现DLC膜 的沉积，所沉积的DLC膜通常是无氢的， 其优点是设备简单且离化率大，沉积速率 高，沉积面积相对较大，较适合于大批量 工业化生产。但是由于电弧烧蚀石墨靶会 产生大量的石墨颗粒，制得的薄膜含有大 量的石墨颗粒、膜层表面粗糙，影响了薄 膜的性能和应用。
•
碳是类金刚石膜的主要成分。碳元素有 3种同素异形体，即金刚石、石墨和各种无 定形碳。碳原子按组成键的不同存在3种不 同形态，即sP1、sp2和sp3。类金刚石膜 （DLC）是一种碳原子之间以共价键键合 的亚稳态的非晶体材料，其共价键主要含 有sp2和sp3 两种杂化方式，同时在含氢的 类金刚石膜DLC中还存在一些C-H键。 • 由于碳源和制备方法的不同，一些DLC 薄膜中会含有一定量的H元素。因而DLC薄 膜分为两大类――无氢DLC薄膜(简称a- C films，非晶碳膜)和含氢DLC薄膜(简称ac:H films，含氢非氢碳膜)。