类富勒烯/非晶多层碳膜的制备及性能
发布时间：2022-02-13 12:12
针对碳基薄膜存在的高应力问题,利用单极脉冲等离子体增强化学气相沉积技术在单晶硅衬底上制备了含氢类富勒烯/非晶层交替构成的类金刚石多层膜。采用高分辨透射电子显微镜和激光拉曼光谱仪分析了多层膜的结构特征;用X射线光电子能谱分析了薄膜的化学键状态;用纳米压痕仪测定了薄膜的硬度和弹性模量;在CSM往复式摩擦磨损试验机上考察了薄膜在大气下的摩擦学性能,同时比较了多层膜与非晶、类富勒烯薄膜的力学性能和摩擦磨损性能。结果表明:多层膜的硬度高于非晶和类富勒烯单层薄膜,达到28.78GPa;在大气环境下与Si3N4球对摩时平均摩擦因数略低于类富勒烯单层膜,耐磨性明显优于单层非晶和类富勒烯薄膜。
【文章来源】：中国表面工程. 2016,29(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１多层膜的断面形貌Ｆｉｇ．１Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｆｉｌｍ
前后衬底的曲率半径，按照Ｓｔｏｎｅｙ［１２］方程计算薄膜的内应力。２结果与讨论２．１薄膜的微观结构２．１．１断面形貌图１是类富勒烯／非晶多层膜的断面形貌。可以看出多层膜与Ｓｉ基体有明显的分界面，类富勒烯结构与非晶结构由于其亚层厚度小（２５ｎｍ）显示不出分层结构，而表现为整体结构均匀、致密，表面光滑平整。图１多层膜的断面形貌Ｆｉｇ．１Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｆｉｌｍ２．１．２ＨＲＴＥＭ分析图２是非晶亚层膜、类富勒烯亚层膜的ＨＲ－ＴＥＭ和相应选区电子衍射（ＳＡＥＤ）图。可以看出非晶亚层膜表现为没有任何特点的微观结构，其相应的选区电子衍射花样为典型非晶碳膜的晕环。而在类富勒烯亚层膜的非晶基体上却分布有大量不连续的且相互挤压，紧扣的弯曲状纳米结构，其指环状的结构显示是与碳纳米管和碳洋葱相似结构［１３］的弯曲石墨片，相应的选区电子衍射（ＳＡＥＤ）图显示有３个弥散的环出现，从里往外分别对应于３．５?，２．０?和１．１５?的面间距。其中，２．０?和１．１５?这两个面间距和非晶图２亚层膜的平面ＨＲＴＥＭ和选区电子衍射（ＳＡＥＤ）图Ｆｉｇ．２ＨＲＴＥＭｉｍａｇｅｓａｎｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＳＡＥＤｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｔｈｅｓｕｂｌａｙｅｒｆｉｌｍ５３
中国表面工程２０１６年碳［１１］的相似，而３．５?的面间距非常吻合石墨的（００２）［１４］面的面间距，显示其来源于弯曲的石墨片层结构。２．１．３拉曼光谱分析对碳材料来讲拉曼光谱是一种非常有效的结构表征方法，它可以通过不同的振动方式和强弱能很好地分辨碳材料的微观结构。图３是非晶亚层膜和类富勒烯亚层膜的拉曼光谱。对于非晶亚层膜，其宽泛的拉曼光谱可以分解为两个峰，即Ｇ峰（由所有环状和链状ｓｐ２键的伸缩振动引起的）和Ｄ峰（与环状ｓｐ２键的呼吸振动模式有关），其峰位分别为１５３４ｃｍ－１和１３４１ｃｍ－１，与典型非晶碳氢薄膜的拉曼光谱相符［１５］。而类富勒烯亚层膜，其拉曼光谱由于在１２００ｃｍ－１附近有一宽峰，如果按照常规将其分解为两个峰，不能得到较好的分峰结果。因此，除Ｄ峰和Ｇ峰外，在１２００ｃｍ－１和１４７０ｃｍ－１附近分别引入两个峰后其光谱能得到很好的拟合结果，其峰位分别为１２５２、１４００、１４９６和１５４０ｃｍ－１。通常，１４９６ｃｍ－１附近的峰作为１２５２ｃｍ－１附近峰的伴峰出现［１６］。１２５２ｃｍ－１峰来源于弯曲石墨的七元环，１４９６ｃｍ－１峰则来源于弯曲石墨的五元环［１７］。由ＨＲＴＥＭ观察和拉曼光谱分析可以确定类富勒烯亚层膜是一种在非晶基体上镶嵌有类富勒烯纳米结构的复合薄膜。２．１．４ＸＰＳ分析ＸＰＳ能谱常常被用来测定碳薄膜的化学键合能及ｓｐ３含量［１８］。图４是非晶亚层膜和类富勒烯亚层膜的ＸＰＳＣ１ｓ
【参考文献】：
期刊论文
[1]类金刚石多层膜在不同环境下的摩擦磨损行为研究[J]. 张伟,张纾,田中章浩,徐滨士. 摩擦学学报. 2006(06)
[2]磁过滤真空弧源沉积技术制备C/C多层类金刚石膜及其摩擦磨损性能研究[J]. 沟引宁,孙鸿,黄楠,张文英,冷永祥. 摩擦学学报. 2006(02)
博士论文
[1]含类富勒烯氢化碳膜的制备及其特性研究[D]. 王琦.兰州大学 2009
本文编号：3623174
【文章来源】：中国表面工程. 2016,29(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１多层膜的断面形貌Ｆｉｇ．１Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｆｉｌｍ
前后衬底的曲率半径，按照Ｓｔｏｎｅｙ［１２］方程计算薄膜的内应力。２结果与讨论２．１薄膜的微观结构２．１．１断面形貌图１是类富勒烯／非晶多层膜的断面形貌。可以看出多层膜与Ｓｉ基体有明显的分界面，类富勒烯结构与非晶结构由于其亚层厚度小（２５ｎｍ）显示不出分层结构，而表现为整体结构均匀、致密，表面光滑平整。图１多层膜的断面形貌Ｆｉｇ．１Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｆｉｌｍ２．１．２ＨＲＴＥＭ分析图２是非晶亚层膜、类富勒烯亚层膜的ＨＲ－ＴＥＭ和相应选区电子衍射（ＳＡＥＤ）图。可以看出非晶亚层膜表现为没有任何特点的微观结构，其相应的选区电子衍射花样为典型非晶碳膜的晕环。而在类富勒烯亚层膜的非晶基体上却分布有大量不连续的且相互挤压，紧扣的弯曲状纳米结构，其指环状的结构显示是与碳纳米管和碳洋葱相似结构［１３］的弯曲石墨片，相应的选区电子衍射（ＳＡＥＤ）图显示有３个弥散的环出现，从里往外分别对应于３．５?，２．０?和１．１５?的面间距。其中，２．０?和１．１５?这两个面间距和非晶图２亚层膜的平面ＨＲＴＥＭ和选区电子衍射（ＳＡＥＤ）图Ｆｉｇ．２ＨＲＴＥＭｉｍａｇｅｓａｎｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＳＡＥＤｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｔｈｅｓｕｂｌａｙｅｒｆｉｌｍ５３
中国表面工程２０１６年碳［１１］的相似，而３．５?的面间距非常吻合石墨的（００２）［１４］面的面间距，显示其来源于弯曲的石墨片层结构。２．１．３拉曼光谱分析对碳材料来讲拉曼光谱是一种非常有效的结构表征方法，它可以通过不同的振动方式和强弱能很好地分辨碳材料的微观结构。图３是非晶亚层膜和类富勒烯亚层膜的拉曼光谱。对于非晶亚层膜，其宽泛的拉曼光谱可以分解为两个峰，即Ｇ峰（由所有环状和链状ｓｐ２键的伸缩振动引起的）和Ｄ峰（与环状ｓｐ２键的呼吸振动模式有关），其峰位分别为１５３４ｃｍ－１和１３４１ｃｍ－１，与典型非晶碳氢薄膜的拉曼光谱相符［１５］。而类富勒烯亚层膜，其拉曼光谱由于在１２００ｃｍ－１附近有一宽峰，如果按照常规将其分解为两个峰，不能得到较好的分峰结果。因此，除Ｄ峰和Ｇ峰外，在１２００ｃｍ－１和１４７０ｃｍ－１附近分别引入两个峰后其光谱能得到很好的拟合结果，其峰位分别为１２５２、１４００、１４９６和１５４０ｃｍ－１。通常，１４９６ｃｍ－１附近的峰作为１２５２ｃｍ－１附近峰的伴峰出现［１６］。１２５２ｃｍ－１峰来源于弯曲石墨的七元环，１４９６ｃｍ－１峰则来源于弯曲石墨的五元环［１７］。由ＨＲＴＥＭ观察和拉曼光谱分析可以确定类富勒烯亚层膜是一种在非晶基体上镶嵌有类富勒烯纳米结构的复合薄膜。２．１．４ＸＰＳ分析ＸＰＳ能谱常常被用来测定碳薄膜的化学键合能及ｓｐ３含量［１８］。图４是非晶亚层膜和类富勒烯亚层膜的ＸＰＳＣ１ｓ
【参考文献】：
期刊论文
[1]类金刚石多层膜在不同环境下的摩擦磨损行为研究[J]. 张伟,张纾,田中章浩,徐滨士. 摩擦学学报. 2006(06)
[2]磁过滤真空弧源沉积技术制备C/C多层类金刚石膜及其摩擦磨损性能研究[J]. 沟引宁,孙鸿,黄楠,张文英,冷永祥. 摩擦学学报. 2006(02)
博士论文
[1]含类富勒烯氢化碳膜的制备及其特性研究[D]. 王琦.兰州大学 2009
本文编号：3623174
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