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硅/锗掺杂类金刚石薄膜特性研究

黄国俊  
【摘要】:类金刚石(diamond-like carbon, DLC)薄膜是一种亚稳态的非晶碳膜,它具有诸多类似于金刚石薄膜的优异性能。在光学方面,由于DLC薄膜在红外区透明,且具备高硬度、耐磨损等性能,因此常用作红外窗口的增透膜和保护膜。在工程应用中,DLC薄膜存在内应力大和附着力较差的问题。为了改善DLC薄膜的上述特性,本文采用元素掺杂的方法来降低DLC薄膜的内应力、提高膜基附着力,从而改善DLC薄膜的综合性能。 利用脉冲电弧离子镀和电子束热蒸发相结合的复合沉积技术,在硅基底上制备了一系列不同硅或锗含量(原子百分比at.%)的Si-DLC薄膜和Ge-DLC薄膜,系统研究了硅(锗)含量对DLC薄膜光学特性和力学特性的影响规律。研究结果表明: 1)在红外波段1-5μm之间,掺杂少量的Si或Ge(小于25at.%)对DLC薄膜光学常数的影响不大;随着Si或Ge含量的增加,DLC薄膜的折射率和消光系数都略微增大。 2)随着DLC薄膜中Si(Ge)含量的增加,薄膜的内应力和硬度均逐渐减小。当Si(Ge)含量小于8at.%时,DLC薄膜硬度的减小比例小于内应力的减小比例;当Si(Ge)含量大于8at.%时,DLC薄膜硬度的减小比例大于内应力的减小比例。 3)DLC薄膜中Si(Ge)的最佳含量约为8at.%,此时DLC薄膜内应力大幅度的减小,但仍保持有较高的硬度。与纯DLC薄膜相比,Si-DLC薄膜的内应力从6.3GPa降至3.4GPa,而硬度仅从3875kgf/mm2减小为3652kgf/mm2;Ge-DLC薄膜的内应力从6.3GPa降至3.0Gpa,而硬度仅从3875kgf/mm2减小为3640kgf/mm2。 4)当DLC薄膜中Si或Ge的含量都为8at.%时,在红外波段3-5μm之间,硅基底上单面制备Si-DLC薄膜的透射率峰值(63.71%)略高于Ge-DLC薄膜的透射率峰值(63.15%)。 5)当DLC薄膜中Si或Ge的含量相同时,Ge-DLC薄膜的内应力和硬度小于Si-DLC薄膜的内应力和硬度。而当DLC薄膜中Si或Ge的含量都为8at.%时,Si-DLC薄膜与Ge-DLC薄膜的内应力大和硬度高差值很小。


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