类金刚石薄膜的研究
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
我国类金刚石薄膜主要制备技术及研究现状摘要类金刚石薄膜具有优良的光学、机械和电特性在军事领域有广泛用途，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℃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。
由于类金刚石结构、性能存在一些缺陷，所以对此作了研究。
本文着重对类金刚石薄膜制备技术进行阐述，同时论述了发展潜力。
由于类金刚石薄膜的优越性，所以我国要加大这方面发展。
关键词：类金刚石薄膜，化学气相沉积法，物理沉积法，金刚石The Main Preparation Techniques and Research Status of theDLC Film in ChinaABSTRACTDLC films with excellent optical, mechanical and electrical characteristics ha ve a wide range of applications in the military field. DLC thin film technology, refers to the use of a variety of optical thin film production technology made close to the natural diamond and synthetic single crystal diamond characteristics (such as with high light transmittance in the wide spectrum-in the range of 2~15μm (microns) low absorption of light to 1%; has high hardness and good thermal conductivity, corrosion resistance and high chemical stability -1000°C (degrees Celsius) above maintained its chemical stability, etc.), artificial polycrystalline diamond films DLC films (also known as the hard carbon film,ion carbon film ,or a transparent carbon film), a technology. DLC structure, the performance has some shortcomings,have been investigated. Focus on the DLC film preparation technique is described,and discusses the potential for development. Because of the superiority the DLC films, so china should step up development in this field.KEY WORDS: DLC film，preparation techniques，CVD目录前言 (1)第1章类金刚石薄膜概述 (2)1.1 类金刚石薄膜介绍 (2)1.1.1类金刚石薄膜发展介绍 (3)1.1.2类金刚石薄膜微观结构与其性质 (3)1.1.3类金刚石薄膜分类 (5)第2章类金刚石薄膜制备技术 (6)2.1 化学气相沉积法 (6)2.1.1 热丝CVD法 (6)2.1.2 等离子体CVD法 (7)2.1.3 离子束蒸镀法 (7)2.1.4 光、激光CVD法 (7)2.2 激光法制备DLC膜的发展趋势 (8)2.2.1 激光脉冲宽度由纳秒脉冲向超短脉冲发展 (9)2.2.2 沉积环境由真空向氢气氛或氧气氛发展 (10)2.2.3 薄膜成分由纯DLC膜向掺杂DLC膜发展 (11)2.2.4 激光源由单一激光向多束激光发展 (11)第3章类金刚石薄膜研究 (12)3.1 实验研究 (12)3.1.1 实验装置 (13)3.1.2 实验过程 (15)3.1.3 实验结论 (15)第4章类金刚石薄膜应用以及展望 (16)4.1 类金刚石薄膜应用 (16)4.2 类金刚石薄膜应用展望.................... 1错误！未定义书签。
类金刚石薄膜的性能与应用
学科前沿知识讲座论文之五兆芳芳创作类金刚石薄膜的性能与应用摘要：类金刚石膜(Diamond-likeCarbon)简称DLC，是一类性质类似于金刚石如具有高硬度、高电阻率、耐腐化、良好的光学性能等，同时其又具有自身独特摩擦学特性的非晶碳膜.作为功效薄膜和庇护薄膜，其普遍应用于机械、电子、光学、医学、航天等领域中.类金刚石膜制备办法比较复杂，易实现产业化，具有普遍的应用前景.关头词：超硬资料类金刚石薄膜制备气象沉积概略工程技巧引言磨损是工程界资料功效失效的主要形式之一，由此造成的资源、能源的浪费和经济损失可用“巨大”来暗示.然而，磨损是产生于机械设备零部件概略的资料流失进程，虽然不成避免，但若采纳得力措施，可以提高机件的耐磨性.资料概略工程主要是利用各类概略改性技巧，付与基体资料自己所不具备的特殊的力学、物理或化学性能，如高硬度、低摩擦系数、良好的化学及低温稳定性、理想的综合机械性能及优异的摩擦学性能，从而使零部件概略体系在技巧指标、可靠性、寿命和经济性等方面取得最佳效果.硬质薄膜涂层因能削减工件的摩擦和磨损，有效提高概略硬度、韧性、耐磨性和低温稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命，而普遍应用于机械制造、汽车产业、纺织产业、地质钻探、模具产业、航空航天等领域.一、超硬薄膜资料随着资料科学和现代涂层技巧的成长，应用超硬资料涂层技巧改良零部件概略的机械性能和摩擦学性能是21世纪概略工程领域重要的研究标的目的之一.超硬薄膜是指维氏硬度在40GPa以上的硬质薄膜.到目前为止，主要有以下几种超硬薄膜:1 金刚石薄膜金刚石薄膜的硬度为50~100GPa(与晶体取向有关)，从20世纪80年代初开始，一直受到世界列国的普遍重视，并曾于20世纪80年代中叶至90年代末形成了一个全球规模的研究热潮.金刚石膜所具有的最高硬度、最高热导率、极低摩擦系数、很高的机械强度和良好化学稳定性的优异性能组合使其成为最理想的东西和东西涂层资料.金刚石薄膜在摩擦学领域应用的突出问题，就是在载荷条件下薄膜与基体之间的粘附强度以及薄膜自己的粗糙度问题，目前，己经有针对性地开展了大量的研究任务.随着研究任务的不竭深入，金刚石薄膜将会为整团体类社会带来巨大的经济效益.2 立方氮化硼(c-BN)薄膜立方氮化硼(c-BN)薄膜的硬度为50~80GPa，它具有与金刚石相类似的晶体结构，其物理性能也与金刚石十分相似.与金刚石相比，c-BN的显著优点是具有良好的热稳定性和化学稳定性，适用于作为超硬刀具涂层，特别是用于加工铁基合金的刀具涂层.3 碳氮膜碳氮膜是新近开发的超硬薄膜资料，理论预测它具有达到和超出金刚石的硬度.已有的研究标明CNx薄膜的硬度可高达72GPa，可与DLc相比较.同时CNx薄膜具有十分独特的摩擦磨损特性.在空气中，CNx薄膜的摩擦系数为0.2-0.4，但在N2、C02和真空中的摩擦系数为0.01~0.1.在N2气氛中的摩擦系数最小(0.01)，在大气情况中向实验区域吹氮气，也可将其摩擦系数降至0.017.因此，CNx薄膜有望在摩擦磨损领域取得实际应用.4 类金刚石薄膜类金刚石膜(DLC)是一大类在性质上和金刚石类似，具有sp2和sp3杂化的碳原子空间网络结构的非晶碳膜.与组分相关的硬度可从20GPa 变更至80GPa.类金刚石碳膜作为新型的硬质薄膜资料具有一系列优异的性能，如高硬度、高耐磨性、高热导率、高电阻率、良好的光学透明性、化学惰性等，可普遍用于机械、电子、光学、热学、声学、医学等领域，具有良好的应用前景.DLC的主要缺点是：(a)内应力很大，因此薄膜厚度受到限制，一般只能达到1um~2um以下；(b)热稳定性较差，含氢的a:C-H薄膜中的氢在400℃左右就会逐渐逸出，sp2键增加，sp3键下降，在大约500℃以上就会转变成石墨.5 纳米复合多层膜纳米多层膜是一种人为可控的一维周期结构，这种结构可以有效地调整薄膜中的位错和缺陷及其运动，从而取得高硬度、高模量等性能，近期有关多层膜的研究报导较多，其中以金属/氮化物(碳化物，硼化物等)多层膜和氮化物/氮化物多层膜的研究居多.最近，纳米晶粒复合的TIN/SINx薄膜资料的硬度达到了创记实的105GPa，可以说完全达到了金刚石的硬度.以纳米厚度薄膜瓜代沉积取得的纳米复合多层膜的硬度与每层薄膜的厚度(调制周期)有关，有可能高于每一种组分的硬度.纳米复合多层膜不但硬度很高，并且涂层的韧性和抗裂纹扩展能力得到了显著改良，摩擦系数也较小，因此是理想的工模具涂层资料.它的出现向金刚石作为最硬资料的地位提出了严峻的挑战，同时在经济性上也有十清楚显的优势，因此具有很是好的市场前景.但是，由于一些技巧问题还没有得到解决，目前暂时还未在产业上得到普遍应用.二、类金刚石薄膜简介类金刚石(Diamond-like Carbon，简称DLC)资料是碳的非晶亚稳态结构存在形式之一，是人工分解的含有sp3和sp2键碳稠浊的非晶亚稳态结构.迄今为止，人们发明的由纯碳组成的晶体有3种：金刚石、石墨和最近被发明并引起普遍存眷的具有笼状结构的布基球和布基碳管.结构不合造成三者的性质表示出较大的差别.石墨中的碳原子通过sp2杂化形成3个共价σ键，并与其他碳原子连接成六元环形的蜂窝平面层状结构.在层中碳原子的配位数为3，另外每个碳原子还有一个垂直于层平面的p轨道电子，它们相互平行，形成离域π电子而贯串于全层中，层中每两个相邻碳原子间的键长0.142nm，层与层之间由份子力结合，间距0.34nm，远大于C-C 键长，所以石墨有良好的导电、导热和润滑特性；金刚石中每个碳原子进行sp3杂化形成4个σ键，组成正四面体，是典型的原子晶体，有硬度大、熔点高的特点，并具有优良的光学、声学、热学和电学特性.而含有sp3和sp2键碳稠浊的非晶DLC，具有石墨和金刚石所共有的性能：硬度大、熔点高、良好的导热、润滑特性，同时具有优良的光学、声学、热学和电学特性.紫外-可见光拉曼光谱(UVRS)测试标明DLC 薄膜确实具有石墨和金刚石稠浊结构.天然和人造金刚石晶体的Raman光谱峰位为1332cm-1的单峰，石墨晶体的Raman光谱峰位为1575cm-1，多晶石墨除1575cm-1峰外还有一个峰位于1355cm-1.1355cm-1峰的强度决定于样品中无机碳的含量及石墨晶粒的大小.而DLC薄膜不但则有一个在1560cm-1很强并且半高宽度很小的峰位，还有一个在1350cm-1~0.152nm，而石墨和金刚石的碳-碳原子的最近距离辨别为0.142和0.154nm.由于DLC薄膜制备办法(如PVD、CVD、PCVD等)和采取碳原子的载体(如各类碳烷气、石墨等)不合，所生成薄膜的碳原子键合方法(C-H，C-C)与碳原子之间的键合方法(有sp2和sp3)及各类键合方法的比例也不合.因此DLC薄膜可分为非晶碳膜和含氢非晶碳膜.而非晶碳膜的成分、结构、性能也相差较大，但配合点是空间结构上长程无序而短程有序、由大量sp3和少量sp2碳原子键合的一种网状碳结构.研究标明，DLC薄膜的性质与连续的、无法则的sp3骨架的排列及sp3/sp2的比例等都有关，DLC膜的物理、化学、力学和电子学等性能由其结构决定.三、类金刚石薄膜的制备DLC薄膜的制备办法分为物理物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类.在此根本上，目前己经成长出基于物理物理气相沉积和化学气相沉积以及两者结合的多种DLC薄膜制备办法.PVD办法主要有:离子束帮助沉积法，溅射沉积法，离子束沉积法，真空阴极电弧沉积法等.CVD办法主要有:直流辉光放电等离子体化学气相沉积法、射频辉光放电等离子体化学气相沉积法、电子盘旋共振化学气相沉积法、脉冲激光沉积法等.与其他办法相比，磁过滤阴极真空弧沉积办法具有阴极资料离化率高、沉积离子能量可大规模调节、沉积温度低及沉积速率初等优点，被证明是制备高硬度涂层的很是优秀的办法之一，在近十年来得到普遍研究.先进的镀膜技巧为沉积超硬薄膜提供了技巧包管，完善的镀膜设备功效是包管超硬薄膜资料质量的根本.超硬薄膜资料是资料科学与工程中蓬勃成长的领域，只有在实际中得到应用才干增强它的生命力.四、类金刚石膜的应用类金刚石薄膜具有较高的硬度，化学惰性，低摩擦系数，优异的耐磨性，表面电阻高，在可见光区的透射率高.类金刚石膜作为庇护膜已经运用到许多领域：光学窗口、磁盘和微电机系统（MEMS）等，具体的应用如下：1机械领域的应用由于其具有高的硬度、低摩擦系数（尤其是在超高真空条件下）以及良好的导热性，可以使机械零件在没有冷却和润滑的情况下运转，而不至于导致太高的温度，因此作为耐磨涂层在摩擦学领域具有巨大的应用前景.类金刚石膜作为耐磨硬质膜在太空中的应用研究也已经展开.由于其较低的摩擦系数，可较好地使用在低温，高真空等不适于液体润滑的情况以及有清洁要求的情况中.类金刚石作为轴承、齿轮、活塞等易损机件的抗磨损镀层尤其是作为刃具、量具概略的耐磨涂层是十分适合的.类金刚石薄膜用作刀具涂层，能提高刀具寿命和刀具边沿的硬度，削减刃磨时间，节约成本.类金刚石薄膜用作量具概略涂层，不至于使其改动尺寸和划伤概略，削减标定时间.它还具有良好的化学稳定性，避免酸碱及有机溶液侵蚀，适用于化工机械部和多种装饰件的镀层.2光学领域的应用①红外窗口的抗磨损庇护层和反射层：类金刚石膜在整个红外波段规模具有良好的透明特性.由于薄膜硬度高，耐磨性好，使其可以作为支撑红外窗口或作为ZnS、ZnSe等红外窗口的庇护涂层.朱昌等人发明对NaCl晶体镀类金刚石薄膜做庇护层，既不影响10.6um激光输出功率，又可以避免NaCl潮解，能延长红外窗口的使用寿命；②发光资料：类金刚石膜具有良好的光学透过性以及室温生长的特点，因此类金刚石膜可以作为由塑料和聚碳酸脂等低熔点资料组成的光学透镜概略的抗磨损庇护层.类金刚石膜光学带隙规模宽，室温下光致发光和电致发光率都很高，能在整个可见光规模发光，这使得类金刚石膜成为性能极佳的发光资料之一；③存储资料：V.Yn Armeyer等人实验发明在硅玻璃基片上沉积厚度为100nm的类金钢石薄膜的光学存储信号密度可高达108bits/㎝2数量级，并且具有信噪比高，硬度高，化学稳定性强以及无需再加庇护层等优点，因此有希望成为一次性写入记实介质；④太阳能光-热转换层：在铝基片概略沉积不合厚度的单层类金刚石膜、硅及锗涂层后，通过比较各自的性能发明单层类金刚石膜的光热转换效率最高.3医学领域的应用作为一种种植资料，类金刚石膜具有普遍的应用前景.如：在聚乙烯的人工股骨关节头上镀一层类金刚石膜，其抗磨损性能可以与镀陶瓷和金属制品相比；镀有Ti/DLC多层膜的钛制人工心脏瓣膜，由于其具有疏水性和滑腻概略，也取得了较好的效果；在用于骨科内固定机械的Ti-Ni形状记忆合金，镀一层类金刚石膜，使其具有良好的抗氧化性以及良好的生物学摩擦特性.在人造牙根上镀制一层类金刚石膜可以改良其生物相容性.4电子领域的应用~3.8之间的DLC膜和介电常数小于2.3的FDLC膜.对于BEOL互联结构，低K值的DLC 膜是很好的选择.采取碳膜和类金刚石膜瓜代出现的多层结构可机关具有共振隧道效应的多量子阱结构，具有独特的电特性，在微电子领域有很大的成长前途.结论类金刚石膜（DLC).由于该膜在力学、热学、电学、化学、光学等方面具有优异的性能，且制备复杂、成本低廉，较之于金刚石薄膜具有较高的性能价钱比，且在相当普遍的领域里可以代替金刚石薄膜，在机械、电子、化学、医学、军事、航空航天等领域体现了其广漠的应用前景.参考文献[1] 吴大维. 硬质薄膜资料的最新成长及应用. 真空. 2003[2] 吕反修. 超硬资料薄膜涂层研究进展及应用.热处理. 2004[3] 陈灵，刘正义，邱万奇等. 类金刚石膜的制备及其影响因素. 中国概略工程. 2002[4] 程宇航等. 类金刚石膜结构的红外阐发. 硅酸盐学报，1998(4)，26[5]李振军，徐洮，李红轩[6] 刘成龙，杨大智等.医用不锈钢概略沉积类金刚石薄膜的电化学腐化性能研究. 硅酸盐学报. 2005(5)[7]杨玉卫，刘慧舟等.类金刚石膜的性能、制备及应用.[9] 黄立业，徐可为，吕坚. 类金刚石薄膜的概略纳米划擦性能评价. 无机资料学报. 2001(5) [10]罗崇泰. 类金刚石薄膜的取得和应用. 真空与低温. 1987(1)[11]王淑占，李合琴，巫邵波，赵之明，宋泽润.掺氮类金刚石薄膜的制备及其结构表征. 真空. 2008(1)[12]王培君，江美福，杜记龙，戴永丰. 射频反响磁控溅射法制备的氟化类金刚石薄膜摩擦特性研究. 物理学报. 2010(12)[13]常海波，徐洮，张治军，刘惠文. 衬底对沉积类金刚石薄膜结构和摩擦学性能的影响.河南大学学报(自然科学版). 2005(4)[14]刘成龙，杨大智，邓新绿，齐民. 类金刚石薄膜的概略性能研究. 无机资料学报. 2005(3)。
PECVD法沉积类金刚石薄膜的耐腐蚀性能研究
Ｐ Ｃ Ｅ ＶＤ法 沉积 类金 刚石 薄膜 的耐腐 蚀性 能研 究
雷 雯 雯 陈 强
（ 京 印刷 学 院等离子体 物理及 材料研 究 室，北京 １２０ 北 ０６０） 摘要 金属材料在 实际生活 中应用广泛 ，但 其易被摩擦磨损及 易被腐蚀 的特点成为其广 泛应用
ｃ ａ ａ ｔ ｒｚ ｔｏ ，ｓ ｃ ｓｈ ｇ ｒ ｎ ｓ ， ｏ ｆｉｔｏ ｏ ｆ ｃｅ ｔ ｈｉｈ ｃ ｅ ｃ ｌｓａ ｉ ｔ ，ｈ ｎ ｔ ｓｐ ｐｅ， ｈ ｒ ｃｅ ｉａ ｉｎ ｕ ｈ ａ ｉｈ ｈａｄ ｅ ｓ ｌｗ ｒｃｉ ｎ ｃ ｅ ｉｎ ， ｇ ｈ ｍｉａ ｔｂ ｌ ｙ ｔｕｓｉ ａ ｒ ｉ ｉ ｈｉ ＤＬＣ ｆｌ ａ ｔ ｅ ｏ ｒ ｓｏ ｒ ｓｓａ ｃ ｌｙｅ ｗｅｅ ｅ ｏ ｉｅ ｏ ｍｅａ ｂ ｃ ｐ ｃｔｖ ｌ ｃ ｕ ｌｄ ｉ ｍｓ ｓ ｈ ｃ ｒｏ ｉｎ ｅ ｉｔ ｎ ｅ ａ ｒ ｒ ｄ ｐ ｓｔ ｄ ｎ ｔｌ ｙ ａ ａ ｉ ｅｙ ｏ ｐ ｅ ｉ
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类金刚石(DLC)多层薄膜残余应力调控及其机械性能研究
类金刚石（DLC）多层薄膜残余应力调控及其机械性能研究类金刚石(DLC)薄膜由于具有高硬度和弹性模量、低摩擦系数、优异的耐磨损性和耐腐蚀性等优异性能,而成为具有广泛应用前景的保护膜及耐磨材料。
多年的研究发现DLC薄膜中存在很大的残余应力,降低了薄膜与钛合金基体的结合强度,导致DLC薄膜在使用过程中的早期失效,限制了它的工业应用。
多层薄膜是由不同材料相互交替沉积而成的组分或结构交替变化的薄膜材料,由于它具有大量的界面,通常会增加材料的韧性,阻碍裂纹的扩展,与相应的单层薄膜相比,多层薄膜的残余应力较低,且耐磨性能及耐蚀性能好,具有广泛的应用前景。
因此,基于DLC薄膜急需解决的问题和实际应用的需要,设计了软硬交替DLC多层薄膜体系,其中软层将起到剪切带的作用,以缓解膜层中的内应力和界面应力。
本文采用磁过滤阴极真空弧源(FCVA)沉积技术在Ti6A14V合金及Si(100)表面制备了一系列不同调制参数的软硬交替DLC多层薄膜和TiC/DLC多层薄膜,以减小或控制DLC薄膜中的残余应力、提高硬度和增强钛合金的摩擦学性能。
本文系统研究了调制周期和调制比对软硬交替DLC多层薄膜和TiC/DLC多层薄膜的形貌、残余应力、成分、结构、机械性能和摩擦学性能的影响。
同时采用有限元软件(Ansys)对软硬交替DLC多层薄膜的残余应力进行了模拟。
为使基体与膜层之间形成良好的过渡,进一步增强膜基结合力,本文还研究了Ti/TiC梯度过渡层对DLC多层薄膜性能的影响。
全文主要结果如下：(1)采用FCVA技术在钛合金表面成功的制备出了结构致密、低残余应力、高硬度和优异耐磨性能的软硬交替DLC多层薄膜和TiC/DLC 多层薄膜。
(2)使用FCVA技术制备的软硬交替DLC多层薄膜,在调制周期固定为140nm时,薄膜中sp3键的含量随调制比(硬DLC膜层与软DLC膜层厚度之比)的增大而增加；在调制比固定为1：1时,sp3键的含量随调制周期的减小而减小。
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：
DLC(类金刚石膜层介绍)
RF or DC power supply
Cathode
Permanent magnets
N
SS
+E
N
Ring Electrode
Negative Glow Plasma
Sputtered atoms
Work piece
Ar+ 离子轰击靶材表面。
Al 原子自靶材表面溅射并沉积到塑料基 体表面。
– 通过施加一定的偏压, 使得等离子中 的离子获得一定的能量, 层积于基体 表面,
PVD (磁控溅射)
CVD (PECVD)
FCVA
镀膜粒子 能量峰值 镀膜气压 镀膜温度
原子 ~0.1eV 5E-3 Torr ~200 ºC
原子团 ~0.2eV 1E-2 Tor >200 ºC
离子 20 to 5000eV 1E-6 Torr <80 ºC
以碳膜为例：
膜层密度 (g/cm3) 膜层硬度 (GPa) 氢含量 工作温度 (无 O2) 工作温度 (有 O2)
（2）纳峰的主要业务: 采用FCVA技术, 制备和沉积C材料, 以获得最优良的DLC (taC)薄膜.
2. DLC (Diamond Like Carbon(DLC) 类金刚石碳膜
DLC 结构
Diamond
Graphite
DLC
Diamond structure (sp3)
Graphite structure (sp2)
1. 表面处理技术介绍
常规 真空层积
化 学 气 相 层 积
物 理 气 相 层 积
FCVA (阴极过滤弧) 真空镀膜
膜层(表面原子排列)有序可控 原子排练致密,
膜层(表面原子排列)有序可控
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。
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DLC薄膜制备方法
▪ 物理气相沉积
▪ 1.离子束沉积(IBD)：采用氩等离子体溅射石墨靶形成大量的碳离子， 并通过电磁场加速使碳离子沉积于基体表面形成DLC膜
DLC薄膜制备方法
▪ 2.溅射沉积 ▪ 特点：沉积的离子能量范围宽。 ▪ 主要分为：直流溅射、射频溅射、磁控溅射 ▪ 3.磁过滤阴极弧沉积 ▪ 4.脉冲激光沉积(PLD)： ▪ 多功能的工艺方法，可以用来沉积从高温超导体到硬质涂层等多种不
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，在红外区具
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
DLC薄膜应用
▪ 1.机械领域的应用
▪ 用于防止金属化学腐蚀和划伤方面 ▪ 磁介质保护膜
▪ 2.电子领域的应用
ULSI芯片的制造：光刻电路板的掩膜 ULSI的BEOL(线后端)互联结构的低K值的材料 碳膜和DLC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 ▪ DLC可作为平面板场发射显示FED的电子发射器
▪ 无氢非晶碳膜(a-C film)：一般CVD制备 ▪ 四面体碳膜(ta-C film)或非晶金刚石膜(a-D film)：一般PVD制备
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
▪ DLC膜中氢的含量超过40%门限时能获得很低的摩擦系数，但过多的 氢存在将降低膜与基体的结合力和表面硬度，使内应力增大。
3.光学领域的应用
▪ 用在锗光学镜片上和硅太阳能电池上作为减反射膜 ▪ 塑料和聚碳酸脂等低熔点材料组成的光学透镜表面抗磨损保护层 ▪ DLC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
DLC薄膜应用
▪ 4.医学领域的应用
▪ 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
就大大降低了反应室壁的污染 ▪ 4.薄膜质地致密，薄膜具有比较小的内应力和良好的粘附力 ▪ 5.操作简单
PECVD制备DLC薄膜
DL与中性气体碰撞，分解碳氢气体 产生等离子体，然后沉积到基体上
PECVD制备DLC薄膜
▪ 电容耦合PECVD系统制备DLC薄膜
▪ 优点： ▪ 1.等离子体的存在可以促进气体分子的分解、化合、激发和电离过程，
促进反应活性基团的生成，显著降低反应沉积的温度范围， ▪ 2.可以获得大面积均匀的电场分布，制备性质均匀的高质量薄膜所 ▪ 3.沉积和溅射过程几乎全部被限制在衬底所在的电极表面附近，这样
DLC薄膜
王永 东北大学真空预流体工程研究中心
导师 李建昌 蔺增
DLC薄膜
▪ 类金刚石碳(DLC)涂层的主要成分为碳,是一种兼有高硬 度和优异摩擦性能的非晶体硬质薄膜，一种非晶亚稳态 结构
▪ DLC膜的成份主要指sp^3键和sp^2键，还可能含有一些杂 质相如C- H 等
DLC薄膜
▪ 1971：Sol Asienberg和Ronald Chabot用IBD首次制备 ▪ 根据薄膜结构是否含有氢可分为：
同性质的材料。
DLC薄膜制备方法
化学气相沉积
1.直接光化学气相沉积 2.直流辉光放电化学气相沉积(DCCVD) 3.射频辉光放电化学气相沉积(rf PECVD) ▪ 感应圈式：膜质量较差并且沉积速率低 ▪ 平行板电容耦合式：薄膜厚度均匀、生产效率高、沉积速率高、稳定
性好、可调性和重复性好 4.电子回旋共振化学气相沉积(ECRCVD) ▪ 电子回旋共振是在输入的微波频率等于电子回旋频率时，微波能量可