类金刚石膜的制备、性能及应用

作者:张晶;范真 刊名:工具技术 上传者:齐秀玲

【摘要】介绍了类金刚石膜的结构、制备方法和发展现状,综述了DLC膜的机械、电子、光学和生物学性能以及在这些领域中的应用状况。

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1引言类金刚石膜(DLC)是一种与金刚石膜性能相似的新型薄膜材料,它具有较高的硬度,良好的热传导率,极低的摩擦系数,优异的电绝缘性能,高的化学稳定性及红外透光性能[1]。自Asienberg和Chaboty在1979年用离子束沉积法(Ionbeamdeposition)制得第一片DLC薄膜以来[2],人们对类金刚石膜的特性、制备方法及其应用领域进行了广泛和深入的研究,类金刚石膜产品已被广泛应用到机械、电子、光学和医学等各个领域。2类金刚石膜的结构碳在自然界中以两种晶体单质形式存在:四面体状sp3C-C键结合的金刚石晶体和正三角或片层状sp2C-C键结合的石墨晶体。碳的其他存在形式有无定型非晶碳、白碳(由sp1键构成)等。碳之所以能形成诸多晶体或无定形碳,主要是它能以三种化学键存在:sp1、sp2和sp3。类金刚石碳材料是碳的一种非晶亚稳态结构,它的化学键主要是sp2和sp3[3]。由于类金刚石碳材料的性能与金刚石材料比较相似,因而称其为类金刚石碳。一般认为sp3键含量越高,膜层越坚硬致密,电阻率越高,宏观性质上更接近金刚石。根据薄膜结构是否含氢可分为:氢化非晶碳膜(a-C:Hfilm,一般包括50%的氢)、无氢非晶碳膜(a-Cfilm)、四面体非氢碳膜(ta-Cfilm)。一般来说前一类金刚石膜由化学气相沉积(CVD)制得,而后两类则通过物理气相沉积(PVD)制得。3类金刚石膜的制备近年来,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:物理气相沉积法和化学气相沉积法,下面介绍几种常用方法:31物理气相沉积(PVD)(1)溅射法溅射法是工业生产中常用的薄膜制备方法,又分为直流溅射、射频溅射、磁控溅射等不同工艺。直流溅射2008年第42卷5直流溅射又称二极磁控溅射,是最简单的溅射方法。其原理是以靶材为阴极,基片为阳极,离子在阴极的吸引下轰击靶面,溅射出粒子沉积在基片上成膜。直流溅射的优点是简单方便,对高熔点、低蒸汽压的元素也适用。缺点是沉积速率低,薄膜中含有较多气体分子。射频溅射射频溅射是利用射频放电等离子体进行溅射的一类方法。由于射频溅射所使用的靶材包括导体、半导体和绝缘材料等,因此应用范围有所增加。其缺点是沉积速率低、荷能离子对薄膜表面有损伤,因而限制了该工艺的广泛应用[4]。磁控溅射[5,6,7]磁控溅射是上世纪七十年代后期发展起来的一种先进工艺,是在真空下电离惰性气体形成等离子体,气体离子在靶上附加偏压的吸引下轰击靶材,溅射出碳原子并沉积到基片上。它利用交叉电磁场对二次电子的约束作用,使得二次电子与工作气体的碰撞电离几率大大增加,提高了等离子体的密度。在相同溅射偏压下,等离子体的密度增加,溅射率提高,增加了薄膜的沉积速率。而且由于二次电子和工作气压的碰撞电离率高,因而可以在较低工作气压(10-1~1Pa)和较低溅射电压下(-500V)产生自持放电。溅射用的惰性气体一般选择氩气(Ar),因为它的溅射率最高。(2)离子束沉积离子束沉积方法的原理是采用氩等离子体溅射石墨靶形成碳离子,并通过电磁场加速使碳离子沉积于基体表面形成类金刚石膜。离子束增强沉积是离子束沉积的改进型[8],它是通过溅射固体石墨靶形成碳原子并沉积在基体表面,同时用另一离子束轰击正在生长中的类金刚石膜,通过这种方法提高了薄膜的沉积速率和致密性,获得的类金刚石膜在综合性能方面有很大的提高。该工艺可以获得具有较好的化学计量比、应力小且附着力高的薄膜,适合在不宜加热的衬底上制膜。缺点是离子枪的尺寸较小,只能在较小或中等尺寸的基片上沉积薄膜,不适合大量生产。(

参考文献

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