粒子入射角变化条件下类金刚石碳膜的制备及性能研究

发布时间：2017-05-12 20:19

  本文关键词：粒子入射角变化条件下类金刚石碳膜的制备及性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文利用中频磁控溅射技术以纯石墨靶/纯石墨靶甲烷为碳源在单晶硅基底上制备了不含氢/含氢类金刚石碳膜(hydrogen-free/hydrogenated amorphous carbon,a-C/a-C:H),考察了粒子入射角度以及粒子掠入射周期(基底转动速度)对薄膜表面形貌、微观结构、力学和摩擦学性能的影响,主要研究内容如下:1.研究了粒子入射角度对a-C薄膜表面形貌、微观结构及性能的影响。结果表明,随着粒子入射角度的增加,薄膜沉积速率呈现近余弦规律的减小趋势,表面均方根粗糙度经历缓慢增大和急剧增大两个阶段。XPS和Raman分析结果显示:随着粒子入射角度的增加薄膜中sp3/sp2比率减小。薄膜的硬度随着粒子入射角度的增加逐渐减小;薄膜内应力随粒子入射角度的增加出现压应力向拉应力的转变,压-拉应力转换点介于30°到45°之间,且应力值先减小后增大。随粒子入射角度的增加,薄膜摩擦系数增大,耐磨性变差。2.研究了粒子入射角度对a-C:H薄膜表面形貌、微观结构及性能的影响。结果表明,随着粒子入射角度的增加,沉积速率先增大后减小,15°时薄膜沉积速率最高,为10.24 nm/min;薄膜表面阴影效应加剧,表面均方根粗糙度逐渐增大。Raman和XPS分析结果显示,随着粒子入射角度的增加,薄膜sp3/sp2比率在0.86-1.22之间呈现先增加后减小再增加的变化趋势。与a-C薄膜相类似,薄膜内应力随粒子入射角度的增加同样出现压应力向拉应力的转变。粒子入射角度为30°时制备的薄膜内应力低而硬度最大,分别为-0.037 Gpa和14.22 Gpa。因此,可以通过合理控制粒子入射角度来制备超低应力的薄膜。3.研究了基底转动速度对a-C和a-C:H薄膜表面形貌、微观结构及性能的影响。结果表明,基底转动导致薄膜生长模式从基底固定时的连续生长转变为原子(分子)层生长。对于a-C薄膜,基底转动条件下生长速率约为基底固定时的1/3,且随着基底转速的增加逐渐减小;3 r/min时沉积薄膜表面均匀光滑,此后随着转动速度的增大薄膜表面粗糙增大;随着基底转动速度的增加,薄膜sp3/sp2比率呈近似线性减小趋势,硬度逐渐减小,耐磨性变差。而对于a-C:H薄膜,基底转动条件下生长速率约为基底固定时的1/2;表面粗糙度随基底转动速的变化规律与a-C薄膜刚好相反,在3 r/min时表面粗糙度最大,为0.58 nm。基底转动条件下制备的薄膜均具有相对较高的硬度和杨氏模量,摩擦系数较为稳定。
【关键词】：类金刚石碳膜 粒子入射角 表面形貌 力学性能 摩擦学性能
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 非晶碳膜的结构和分类10-12
• 1.2 类金刚石薄膜的生长模型12-13
• 1.3 类金刚石碳膜的制备13-15
• 1.3.1 物理气相沉积(PVD)14
• 1.3.2 化学气相沉积(CVD)14
• 1.3.3 液相沉积技术14-15
• 1.4 非晶碳膜的表征15-17
• 1.4.1 形貌分析15
• 1.4.2 结构分析15-17
• 1.5 类金刚石碳膜的应用17-18
• 1.6 国内外研究现状18-20
• 1.7 本文的选题依据和研究内容20-22
• 1.7.1 选题依据20-21
• 1.7.2 主要研究内容21-22
• 第二章 粒子入射角度对a-C薄膜表面形貌、微结构及性能影响的研究22-37
• 2.1 引言22
• 2.2 实验部分22-23
• 2.2.1 实验装置22
• 2.2.2 薄膜的制备22-23
• 2.3 薄膜的表征23-24
• 2.4 结果与讨论24-36
• 2.4.1 沉积速率24-25
• 2.4.2 形貌分析25-28
• 2.4.2.1 SEM分析25-26
• 2.4.2.2 AFM分析26-28
• 2.4.3 XPS分析28-30
• 2.4.4 Raman光谱30-32
• 2.4.5 粒子入射角度对a-C薄膜性能的影响32-36
• 2.4.5.1 力学性能32-35
• 2.4.5.2 摩擦学性能35-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第三章 粒子入射角度对a-C:H薄膜表面形貌、微结构及性能影响的研究37-47
• 3.1 引言37
• 3.2 薄膜的制备与表征37
• 3.3 结果与讨论37-46
• 3.3.1 沉积速率37-39
• 3.3.2 AFM分析39-40
• 3.3.3 XPS分析40-42
• 3.3.4 Raman光谱42-43
• 3.3.5 粒子入射角度对a-C:H薄膜性能的影响43-46
• 3.3.5.1 力学性能43-44
• 3.3.5.2 摩擦学性能44-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第四章 基底转动速度对a-C薄膜表面形貌、微结构及性能影响的研究47-56
• 4.1 引言47
• 4.2 薄膜的制备47-48
• 4.3 薄膜的表征48
• 4.4 结果与讨论48-55
• 4.4.1 沉积速率48-49
• 4.4.2 AFM分析49-51
• 4.4.3 XPS分析51-52
• 4.4.4 Raman光谱52-53
• 4.4.5 基底转动速度对a-C薄膜性能的影响53-55
• 4.5 本章小结55-56
• 第五章 基底转动速度对a-C:H碳膜表面形貌、微结构及性能影响的研究56-65
• 5.1 引言56
• 5.2 薄膜的制备与表征56
• 5.3 结果与讨论56-63
• 5.3.1 沉积速率56-57
• 5.3.2 AFM分析57-59
• 5.3.3 XPS分析59-60
• 5.3.4 Raman光谱60-61
• 5.3.5 基底转动速度对a-C:H薄膜性能的影响61-63
• 5.4 本章小结63-65
• 结论65-67
• 1.主要结论65-66
• 2.本文的创新之处66-67
• 参考文献67-75
• 致谢75-76
• 附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录76

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本文编号：360774