沉积温度对钛硅共掺杂类金刚石薄膜生长结构和力学性能的影响.pdfVIP

物理 学报 ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．2(2014) 028104 沉积温度对钛硅共掺杂类金刚石薄膜生长、结构和 力学性能的影响术 姜金龙 )2)十 黄浩 ) 王琼 ) 王善民) 魏智强) 杨华 ) 郝俊英2) 1)(兰州理工大学应用物理系，兰州 730050) 2)(中国科学院兰州化学物理研究所，固体润滑国家重点实验室，兰州 730000) (2013年9月22日收到；2013年 10月 14日收到修改稿) 采用中频磁控溅射Ti80Si20复合靶在单晶硅表面制备了共掺杂的类金刚石薄膜．研究了沉积温度对薄 膜生长速率、化学成分、结构、表面性质和力学性能的影响．结果表明：随沉积温度升高，薄膜生长速率降低， 薄膜 Ti和Si原子浓度增加，C原子浓度降低；在高温下沉积的薄膜具有低sp。C含量、低表面接触角、低内应 力和高的硬度与弹性模量．基于亚表层注入生长模型分析了沉积温度对薄膜生长和键合结构的影响，从薄膜 生长机制和微观结构解释了表面性质和力学性能的变化． 关键词：类金刚石薄膜，共掺杂，沉积温度，结构与性能 。 PACS：81．15．Cd，68．55．一a，81．05．-t DOI：10．7498／aps．63．028104 数控制沉积粒子流的能量、密度和迁移与扩散能力， 1 引 言 进而影响类金刚石薄膜生长的微结构，如sp0C含 量、H含量、sp 团簇尺寸及有序度等．因此，类金 类金刚石薄膜作为一类先进 的工程表面固体 刚石薄膜结构与性能强烈依赖于沉积方法和工艺 润滑和防护涂层具有高的硬度和弹性模量、低的摩 条件．与传统的直流磁控溅射相比，中频磁控溅射 擦系数、良好的抗磨性能、高光学透过率及化学惰 能抑制靶面打火现象，克服了阳极消失的难题，离 性等优 良的物理化学性质，在机械、电子、光学及生 子源具有更宽范围的能量分布和更高的密度 【，引． 物医学等众多领域具有广阔的应用前景，白20世 研究表 明，沉积温度是影响类金刚石薄膜sp0C含 纪90年代 以来吸引了科学和工业界众多研究人员 量、密度、应力、力学性能和摩擦学性能至关重要 的浓厚兴趣 [1-3]．近年来，为进一步拓展类金刚石 的因素 [1o]． 薄膜的应用领域，满足其在复杂环境和苛刻工况下 本文采用中频磁控溅射技术制备钛硅共掺杂 的服役要求，类金刚石薄膜向梯度化、多层化、复合 的类金刚石薄膜，研究了沉积温度对掺杂薄膜生长 化、多元化和表面织构化发展．研究发现，在类金刚 速率、化学成分、微观结构、表面性质和力学性能的 石薄膜 中共沉积Ti，Cr，W，Si等金属或非金属元 影响． 素能降低薄膜 内应力，增加薄膜硬度和热稳定性、 改善薄膜摩擦学性能 [，引．目前国内外研究大多为 单元素掺杂薄膜，对二元和多元素共掺杂的类金刚 2 实 验 石薄膜鲜有报道 6【，71． 通常认为，气相沉积类金刚石薄膜过程中基底