DLC膜的性能及常見制備方法

2023/02/14

  類金剛石膜具有良好的力學(xué)性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能,極高的硬度、電阻率、電絕緣強(qiáng)度和熱導(dǎo)率、高紅外透射性和光學(xué)折射率,以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性,因而具有廣泛的應(yīng)用，薄膜中sp3鍵與sp2鍵數(shù)量比是決定類金剛石薄膜硬度的主要因素,其值越大,硬度越高,因此,類金剛石膜具有可調(diào)節(jié)的高硬度,其硬度值上限接近金剛石的硬度(100 GPa),達(dá)95GPa。硬度與DLC結(jié)構(gòu)有關(guān),

  因此與制備方法有關(guān).應(yīng)用磁過濾陰極電弧法(FVCA)制備的DLC膜具有與金剛石膜相近的硬度;真空陰極電弧法(VCAD)制備的DLC膜硬度在HV5000以上;而磁控濺射法制備的DLC膜硬度較低一般在HV2000以下.另外,沉積工藝和摻雜對DLC膜的硬度也有影響.適當(dāng)?shù)钠珘?、壓?qiáng)和氣氛可不同程度地提高DLC膜的硬度.大部分實(shí)驗(yàn)表明摻雜使DLC膜的硬度有不同程度的下降,但也有人認(rèn)為Si的摻入可以提高DLC膜的硬度.DLC膜中一般存在較大的內(nèi)應(yīng)力.內(nèi)應(yīng)力不僅與DLC膜的結(jié)構(gòu)、組份有關(guān),還與成膜的工藝有很大關(guān)系.如在H-DLC膜中,內(nèi)應(yīng)力與H含量有很大關(guān)系.

  在保持DLC膜高硬度的同時(shí),摻入N,Si及某些金屬元素可降低內(nèi)應(yīng)力.內(nèi)應(yīng)力對DLC膜與基底的結(jié)合性能有較大影響.在基底上直接沉積DLC膜,膜的結(jié)合力一般較差.DLC膜越薄,膜與襯底的結(jié)合力越好.另外,通過在DLC膜與基底之間加入過渡層也可增強(qiáng)膜的粘附性.如用Cr做過渡層,顯著改善了膜與基底的結(jié)合狀況;不同的基底對過度層不同。由于DLC膜硬度很高,因而具有優(yōu)異的耐磨性,而且其摩擦系數(shù)低,所以是一種優(yōu)異的表面改性材料.正因?yàn)?/span>DLC膜具有如上優(yōu)異的性能,因此得到了廣泛的應(yīng)用.DLC膜非常適合用于工具涂層.DLC膜的制備工藝發(fā)展迅速,已經(jīng)開發(fā)出多種制備方法.這些方法大體分為兩大類:物理氣相沉積法(physical vapor deposition簡稱PVD)、化學(xué)氣相沉積法(chemical vapor deposition簡稱CVD)及等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD).

物理氣相沉積法包括真空蒸發(fā)、電阻加熱蒸發(fā)、感應(yīng)加熱蒸鍍、熱陰極離子鍍、電弧離子鍍、活性反應(yīng)離子鍍、射頻離子鍍、直流放電離子鍍等,其突出特點(diǎn)是把各種氣體放電引入氣相沉積,使得整個(gè)沉積過程都在等離子體中進(jìn)行,大大提高了粒子能量.離子鍍的成膜速度快,膜基結(jié)合力好,膜層的繞鍍性好,可以在較低溫度下進(jìn)行沉積.磁過濾陰極真空弧沉積(FCVA)技術(shù)采用磁過濾線圈過濾掉弧源產(chǎn)生的大顆粒和中性原子,使到達(dá)襯底的幾乎全部是碳離子,可以用較高的沉積速率制備出無氫DLC膜.有人采用FCVA技術(shù)做出sp3鍵含量高達(dá)90%、硬度高達(dá)95 GPa的無氫碳膜,其性質(zhì)與多晶金剛石材料相近.濺射鍍是利用輝光放電、陰極濺射原理進(jìn)行鍍膜的.磁控濺射方法是通過直流中頻或者射頻方式利用氬離子Ar濺射石墨靶材,濺射出的碳原子的能量分布依濺射離子的能量和種類而不同.該法的優(yōu)點(diǎn)是沉積溫度較低、設(shè)備簡單、沉積面積大,可以沉積高阻膜和絕緣膜?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)法和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法化學(xué)氣相沉積是一種化學(xué)相反應(yīng)生長法.是將幾種化合物或單質(zhì)反應(yīng)氣體通入反應(yīng)腔中,在氣固界面進(jìn)行分解、解吸、化合反應(yīng)生成均勻一致的固體膜.化學(xué)氣相沉積主要的方法有:常壓、低壓下的高低溫化學(xué)氣相沉積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PVCD)和激光化學(xué)氣相沉積(LCVD)等.而最主要的是等離子體輔助化學(xué)氣相沉積.