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增强型脉冲离子源的研制

陈朝平  
【摘要】: 类金刚石薄膜具有高的硬度、低摩擦系数、优异的耐磨性、化学稳定性以及良好的红外透过性等优点,因而得到广泛的应用。脉冲电弧离子镀是制备类金刚石薄膜的一种有效的方法,脉冲真空电弧离子镀以其特有的优点:离化率高、离子能量高、蒸发效率高、蒸发源结构简单、蒸发源的位置放置方便、阴极材料的使用率高、不需要坩埚、简单的低压电源、适宜于制备类金刚石和合金膜等。同时由于采用脉冲式放电,克服了连续电弧离子镀产生的液滴;基底不加负偏压,避免了基底负偏压放电的缺点等,倍受国内外薄膜技术领域内专家的重视。虽然该方法在一定程度上减少了薄膜表面的大颗粒,但仍然有许多纳米甚至微米级的石墨颗粒出现在薄膜表面,严重影响了薄膜性能,限制了它的应用。 为了消除薄膜中大颗粒,提高薄膜性能,研制一种新型的脉冲离子源是十分有必要的。本文详细介绍了增强型脉冲离子源的原理以及设计过程,增强型脉冲离子源主要包括两大部分:脉冲离子源及磁过滤装置。本文对磁过滤装置的设计与磁场的计算以及磁过滤装置的电源进行了详细的论述,对增强型脉冲离子源的部分特性进行了研究,对磁过滤装置的磁场进行了测试及模拟。 使用增强型脉冲离子源进行镀制类金刚石薄膜的工艺实验,实验结果表明:与一般的不加磁过滤装置时脉冲离子源所镀制的类金刚石薄膜相比,薄膜表面大颗粒的数目明显减少,颗粒尺寸显著降低,薄膜表面光滑,平均表面粗糙度由原来的80纳米下降到线圈电流4A时的1.178纳米,当线圈电流从0A增大到4A时,随着磁过滤线圈电流的增大,薄膜平均表面粗糙度从0A时的4.504nm下降到4A时的1.178nm,本文对增强型脉冲离子源磁过滤装置过滤宏观颗粒的机理进行了详细的分析。 拉曼光谱分析表明:用带有磁过滤装置的增强型脉冲离子源镀制类金刚石薄膜中含有sp~2和sp~3键,D峰和G峰的面积比ID/IG为0.29小于不加磁过滤时脉冲离子源所镀薄膜的1.39,ID/IG减小表明薄膜中sp~3键的含量增加。对增强型脉冲离子源镀制薄膜的光学性能及机械性能进行测试,当线圈电流从0A增大到4A时,薄膜透过比提高、光学带隙增大、消光系数降低,薄膜的硬度提高,摩擦系数减小。实验结果证明使用增强型脉冲离子源制备类金刚石薄膜的性能得到了一定改善。


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