基底表面纳米织构对非晶四面体碳膜结构和摩擦特性的影响研究_安书董.pdfVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 64, No. 3 (2015) 036801 基底表面纳米织构对非晶四面体碳膜结构和 摩擦特性的影响研究 赵玉清 安书董 王晓燕 陈仙 王炎武 王晓波 (西安交通大学电子与信息工程学院, 电子物理与器件教育部重点实验室, 西安 710049) ( 2014 年5 月30 日收到; 2014 年9 月11 日收到修改稿) 本文利用离子束表面改性技术对基底表面进行不同时间的轰击, 形成不同规则的纳米织构, 对不同织构 的变化规律进行了研究, 同时, 利用磁过滤真空阴极电弧技术, 在具有不同纳米织构的各基底上沉积相同时间 的四面体非晶碳薄膜. 采用原子力显微镜对各基底的织构进行形貌分析, 结果表明, 高能粒子束的轰击对基 底表面形貌有较大的影响, 根据离子束轰击时间的不同, 可以在基底表面形成各种不同规则的纳米织构, 轰击 15 min 后发现基底表面形成点阵纳米织构, 之后随着时间的增加, 基本维持点阵结构. 通过X 射线光电子能 谱仪和摩擦磨损试验仪对沉积在具有不同织构的基底上的ta-C 薄膜进行测试, 研究表明, 基底表面纳米织构 的非晶层结构引起薄膜内部sp 键的含量降低, 释放了薄膜的内应力, 同时发现基底表面纳米织构将ta-C 薄 膜磨损时间从不足10 min 提高到约70 min, 有效提高了薄膜的耐磨性. 关键词: 四面体非晶碳, 离子束改性技术, 表面织构, X 射线光电子能谱 PACS: 68.55.–a, 62.20.Qp, 68.37.Ps DOI: 10.7498/aps.64.036801 目前, 利用高能离子束对ta-C 薄膜进行轰击 1 引 言 来提高薄膜特性的研究也已经很多1011 , 然而, 如 果对薄膜沉积的基底表面进行离子束轰击, 可以在 四面体非晶碳(tetrahedral amorphous car- 其表面形成不同的织构, 而这些不同形貌的基底织 bon, ta-C) 膜具有极高的硬度、优异的抗磨损特 构对ta-C 薄膜特性影响的研究还较少. 性, 以及良好的电学特性和热稳定性、生物相容性, 本文利用离子束表面改性技术对基底进行不 可以用于机械、医疗和航天航空等领域15 , 随着 同时间的轰击, 形成不同的织构, 探索离子束改性 它的进一步广泛推广和应用, 必将产生巨大的经济 后基底表面织构的变化规律. 同时, 在不同织构的 效益. 作为一种新型功能材料, ta-C 薄膜已经成为 基底上沉积相同时间的ta-C 薄膜, 研究基底织构 研究热点问题. 对ta-C 薄膜结构、摩擦学特性的影响. 研究结果对 近年来, 通过对ta-C 薄膜已经展开的各种研究 进一步提高膜基结合力、优化镀膜工艺具有重要的 6 发现, ta-C 薄膜的特性受制备环境的影响很大 . 指导价值. 同时, 对实现ta-C 薄膜产业化具有重要 Sheeja 等研究了不同偏压下ta-C 薄膜的摩擦特 意义. 7 性 , MacKenzie 等通过热阻模型分析了沉积率对 薄膜的影响, 发现随着薄膜厚度增大, 沉积速率降 2 实 验 8 低, 抑制ta-C 薄膜中sp 键的形成 , Weissmantel 等研究了沉积在不同基底上的ta-C 薄膜的摩擦学