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离子注入对DLC膜基的改性研究

徐鸣  
【摘要】: 离子注入后可引起材料表面的化学成分乃至组织结构改变,进而改变其物理,化学和力学性能,且注入层与基体之间没有界面。因此,离子注入技术除用于半导体材料的掺杂外,还作为一种重要的材料表面改性手段,在科学技术和工业上得到广泛的应用。本文首先采用等离子注入沉积(PIII-D)技术制备类金刚石碳膜(Diamond Like Carbon Film-DLC),并在此基础上,在DLC膜制膜前先对其基底不锈钢进行钨离子注入预处理和DLC成膜后的钨离子注入后处理进行了研究,以提高膜基的结合强度及相关性能。对于改性前后体系的化学组成、微观结构以及力学性能的改善进行了系统的研究,并对强化机制进行了相应的探讨。主要研究结果如下: 首先,采用PIII-D技术在316L不锈钢上直接制备DLC薄膜。碳离子注入到不锈钢基底中,离子浓度沿着注入方向呈高斯曲线分布,有利于DLC膜与不锈钢基底的结合,并对离子注入工艺参数如负偏压及C2H2/Ar气流量比率对DLC膜表面形貌、组织结构以及力学性能的影响进行了重点的研究。当负偏压为-20kV,FC2H2: FAr比率为20/5时,DLC薄膜的性能最佳。 其次,在DLC薄膜制备前,先对其不锈钢基底进行W离子注入预处理的研究。利用W与C元素间较强的化学亲和力,预先在不锈钢基底表面获得渐变的WC过渡层,减少了DLC制备过程中表面游离碳的扩散。与未处理的样品相比,沉积碳更易在W离子注入后的基底表面找到适合的成核生长点,避免被重新蒸发。经过W离子注入预处理后的薄膜体系在划痕测试中体现了更好的抵抗能力,膜基结合强度大为提高。此外,W离子注入预处理参数的选择对薄膜的性能相当重要。在同样的DLC薄膜的制备条件下,过渡层中WC的含量关系到薄膜的厚度以及膜中的sp3、sp2键含量。经研究,采用较高的负偏压-20kV及较大的注入剂量5×1017 ions-cm-2对不锈钢基底进行预处理,明显地促进了DLC薄膜的生长,使得DLC薄膜拥有更高的sp3含量、平整的表面以及更好的膜基结合强度。 最后,在硅(100)基底上制备DLC薄膜后,对DLC膜进行W离子注入的后处理研究。经此后处理,在近表面区域,膜中的钨含量峰值达到27at.%,并在DLC膜中形成了最大直径约5nm的碳化钨纳米晶粒。随着由表面向薄膜内部深入,碳化钨纳米晶粒的尺寸逐渐减小,而数量也逐渐减少,呈现出独有的渐变结构。该结构有利于表面应力向内部逐渐松弛及传递,提高膜基间的结合强度。从离子注入的特征与热力学角度分析纳米晶粒的形成机理。化学效应及损伤驱动的共同作用形成非晶碳膜中镶嵌着微晶的独特结构。该研究探索了制备含钨碳膜的新方法,同时获得了渐变的结构及优越的性能。


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