C_C多层类金刚石薄膜的热稳定性研究(2)

类金刚石薄膜

量)和低应力(较软,低sp3含量)碳层交替沉积的多层类金刚石薄膜具有内应力低的特点度更高[7-8]

[6-7]

端,表明随着退火温度的升高,sp3键含量逐渐降低,sp2键含量逐渐上升,sp3/sp2

值逐渐下降。

。而且,

相比富含sp3键的单层碳膜,多层膜更具有弹性、硬

。采用磁过滤直流阴极真空弧沉积技

术,通过改变基体偏压很容易制备出sp3键在很大范围内变化的薄膜。因此,本文采用该技术在单晶Si片和0Cr19Ni9基体上沉积了C/C多层DLC薄膜,并着重研究了薄膜的热稳定性。

1 实验部分

实验的基体材料选用单晶硅片和0Cr19Ni9,所有的0Cr19Ni9样品均用砂纸打磨抛光后,在丙酮、酒精和蒸馏水中各超声波清洗15min,吹干待用。

薄膜的合成采用磁过滤直流阴极真空弧沉积系统,该系统采用高纯石墨作为阴极,通过阴极真空弧放电产生碳等离子体,采用磁过滤方法,利用等离子体在磁场中发生的偏转作用,过滤掉大颗粒和中性粒子,得到纯的碳离子束。通过调整基体偏压在单晶Si片和0Cr19Ni9表面沉积了高应力和低应力碳层交替层叠的C/C多层类金刚石膜。薄膜沉积之前,用Ar+溅射轰击基体10min,以去除表面的污染物及氧化层。沉积薄膜时系统的本底真空优于810@10-4Pa,薄膜沉积的具体工艺见文献[9]。

在石英管式炉中对所制备的C/C多层类金刚石膜分别进行了300e及400e退火处理,退火气氛:大气,退火时间:3h。采用XSAM800型X射线光电子能谱分析仪(XPS)对薄膜的结构进行了分析;利用HXD21000型显微硬度仪测试DLC薄膜的Knoop硬度,载荷为5g。在瑞士CSEM型销2盘式摩擦磨损试验机上测试了薄膜退火前后的摩擦学性能,试验条件为干摩擦,偶件材料选用56mm、硬度3280HV的SiC球,摩擦速度为95149cm/s,载荷为50g,磨损半径为4mm,用光学显微镜观察其磨痕形貌。

2 结果与讨论

211 退火对多层膜结构的影响

图1为C/C多层膜及其在不同温度下退火处理后的C1sXPS高分辩谱。由图可见退火前后薄膜的C1s峰形并无明显变化,随着退火温度的升高,C1s峰位向低能端移动,由于C-C的sp2键的结合能为2851257eV,sp3

键结合能为2861057eV,C-O键的结合能为2871357eV

[10],即sp3

键结合能处于高能

图1 退火处理前后多层膜的X射线光电子能谱图(C1s)

Fig11 XPSspectra(C1s)ofthemultilayerfilms

beforeandafterannealing

用XPSPEAK软件对退火处理前后样品的C1s峰解谱分析,可计算出sp3、sp2键及C-O键含量,结果如表1所示。sp3键含量由sp3峰面积在整个C1s峰面积中所占的比例计算得出。退火前多层膜中sp3键含量为6612%,经不同温度退火后薄膜中sp3键含量分别降至5818%和5714%,可见随着退火温度的升高,薄膜的sp3键含量呈现降低趋势,但在本文处理的温度范围内,sp3

键含量降低的幅度很小,表明多层膜在400e范围内具有较高的热稳定性。这主要是由多层膜的沉积方式决定的。镀多层膜过程中,我们采用80VDC偏压与1000V(占空比为25%)脉冲偏压交替沉积的方式进行,镀膜过程中确保基体温度低于150e,以避免sp3键向sp2键转化。施加1000V高偏压时,高能离子轰击使样品升高到一定温度,在沉积过程中使样品升高到一定温度与沉积薄膜完成后在更高温度退火类似,同样使薄膜的结构进行了重排[11],相当于进行了动态退火,降低了薄膜的内应力,同时使其结构趋于完整。

表1 退火前后多层膜的sp3、sp2及C-O键含量Tab.1 Thesp3、sp2andC-Ocontentsofthemultilayerfilmsbe2

foreandafterannealingatdifferenttemperatures

sp3

sp2C-Osp3/sp2未退火01662013280101011991300e退火0.5880.4000.0121.470400e退火

0.574

0.413

0.013

1.389

212 退火对多层膜硬度的影响

图2为0Cr19Ni9基体及多层膜退火处理前后