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偏压对超薄DLC保护膜结构和热稳定性的影响

作　者: 李国锋
导　师: 车晓舟；马洪涛
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: DLC保护膜 偏压 热稳定性
分类号: TB43
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 15次
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内容摘要


采用磁过滤真空阴极弧FCVA (Filtered Cathodic Vacuum Arc)法通过改变偏压参数制备了DLC薄膜,对薄膜进行退火热处理,用可见光拉曼光谱仪、原子力显微镜、接触角测量仪等对薄膜结构进行表征,探讨了偏压类型对薄膜结构和热稳定性的影响。实验结果表明,FCVA法沉积的DLC薄膜结构为ta-C,偏压对DLC薄膜的结构有显著影响。随着负偏压的增大,薄膜中的sp~3键含量增大,表面粗糙度Ra和表面能降低;随着正偏压的增大,薄膜中的sp~3键含量先增大后减小,薄膜的表面粗糙度Ra和表面能先减小后增大。用-100V和4V沉积的薄膜具有极为相似的结构和表面性能,都具有较高的sp~3键含量。此结果与采用正偏压制备DLC薄膜时,出现电子流溅射效应,基底附近碳离子活性增大,提高了sp~3键的成核密度有关。退火温度为200℃时,DLC薄膜中sp~3键含量基本保持不变,薄膜结构变化主要表现为sp~2团簇的聚集,同时薄膜的表面粗糙度Ra降低,表面接触角略有降低。当退火温度升高至300℃,薄膜结构中大量的sp~3键转化为sp~2键,sp~2团簇尺寸增大,sp~2六原子环含量增加;薄膜表面粗糙度明显增大,表面接触角明显降低;薄膜结构仍然保持长程无序短程有序的非晶态。当退火温度为400℃时,用不同偏压制备的DLC薄膜的Raman图谱均出现双峰特征,sp~2团簇相互结合并快速长大,sp~2六原子环的键角混乱度迅速下降,六原子环含量增大,热稳定性趋向临界状态,DLC薄膜结构由非晶态向微晶态转化,薄膜表面明显粗化,Ra继续增大,表面接触角达到最低值。经200℃退火后,用4V偏压制备的薄膜具有最好的表面光滑度,用-100V偏压沉积的薄膜表面光滑度明显改善,两种薄膜具有最大接触角,表明薄膜表面能和吸附性最小。4V偏压制备的薄膜具有最大的sp~3键含量,表现出良好的热稳定性。经300℃退火后,用-100V和4V偏压沉积的的薄膜表现出较好的表面光滑度。-100V偏压薄膜的表面接触角下降明显,Ra出现最低值,表明薄膜表面具有较多sp~3键。4V偏压薄膜的表面接触角最大,表面能最低。根据Lifshitz的浅注入模型,用负偏压成膜时亚表面sp~3键较多;而用正偏压成膜时,由于电子流效应,基底附近sp~3键含量相对较大。上述结果表明热处理对近表层附近sp~3键团簇影响较大,但对表面Ra影响较小。经400℃退火后,用不同偏压沉积的薄膜表面粗糙度Ra增大,用-100V和4V偏压沉积的薄膜仍保持较好的表面光滑度,说明薄膜的表面结构具有较好的热稳定性。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪言  10-21
  1.1 课题来源与背景  10
  1.2 本课题研究的目的及意义  10
  1.3 类金刚石薄膜简介  10-18
    1.3.1 DLC 薄膜的结构与研究现状  10-12
    1.3.2 DLC 薄膜的发展  12-13
    1.3.3 DLC 薄膜的形成机理  13-16
    1.3.4 DLC 薄膜的制备  16-18
    1.3.5 DLC 薄膜的应用  18
  1.4 磁头简介  18-20
  1.5 本文主要研究内容  20-21
第二章 实验原理和试样制备  21-34
  2.1 前言  21
  2.2 实验原理与表征  21-31
    2.2.1 FCVA 制备薄膜的原理及特点  21-23
    2.2.2 原子力显微镜  23-25
    2.2.3 Raman 光谱仪  25-29
    2.2.4 可接触角测量仪（WCA）  29-31
  2.3 DLC 薄膜的制备  31-33
    2.3.1 试样基底的预清洗  31-32
    2.3.2 试样的制备  32-33
  2.4 薄膜试样的退火处理  33-34
第三章 偏压对DLC 薄膜的结构和性能的影响  34-42
  3.1 前言  34
  3.2 不同偏压沉积的DLC 薄膜的Raman 光谱分析  34-38
    3.2.1 不同偏压沉积的DLC 薄膜的Raman 光谱测量结果  34
    3.2.2 Raman 光谱测量结果分析与讨论  34-38
  3.3 偏压对DLC 薄膜的表面粗糙度的影响  38-40
    3.3.1 不同偏压沉积的DLC 薄膜的表面粗糙度测量结果  38-39
    3.3.2 偏压对DLC 薄膜表面粗糙度的影响  39-40
  3.4 偏压对DLC 薄膜的表面接触角的影响  40-41
    3.4.1 不同偏压沉积的DLC 薄膜的表面接触角测量结果  40-41
    3.4.2 偏压对DLC 薄膜的表面接触角的影响  41
  3.5 本章小结  41-42
第四章 退火处理对不同偏压沉积的DLC 薄膜的影响  42-53
  4.1 前言  42
  4.2 退火DLC 薄膜的Raman 光谱分析  42-48
    4.2.1 不同温度退火后DLC 薄膜的Raman 光谱测量结果  42-43
    4.2.2 退火后偏压DLC 薄膜的Raman 光谱测量结果分析与讨论  43-48
  4.3 退火后不同偏压DLC 薄膜的表面分析  48-50
    4.3.1 退火后不同偏压DLC 薄膜的表面测量结果  48-49
    4.3.2 退火对不同偏压DLC 薄膜的表面粗糙度的影响  49-50
  4.4 退火后不同偏压DLC 薄膜的表面接触角分析  50-51
    4.4.1 退火后不同偏压DLC 薄膜的表面接触角测量结果  50-51
    4.4.2 退火对不同偏压DLC 薄膜的表面接触角的影响  51
  4.5 本章小结  51-53
第五章 偏压对DLC 薄膜结构和热稳定性的影响  53-67
  5.1 前言  53
  5.2 200℃退火后偏压对DLC 薄膜结构和热稳定性的影响  53-57
    5.2.1 200℃退火后偏压对DLC 薄膜的Raman 分析  53-55
    5.2.2 200℃退火后偏压对DLC 薄膜表面粗糙度分析  55-56
    5.2.3 200℃退火后偏压对DLC 薄膜的表面接触角分析  56-57
  5.3 300℃退火后偏压对DLC 薄膜结构和热稳定性的影响  57-62
    5.3.1 300℃退火后偏压对DLC 薄膜的Raman 分析  57-60
    5.3.2 300℃退火后偏压对DLC 薄膜表面粗糙度分析  60
    5.3.3 300℃退火后偏压对DLC 薄膜的表面接触角分析  60-62
  5.4 400℃退火后偏压对 DLC 薄膜结构和热稳定性的影响  62-66
    5.4.1 400℃退火后偏压对DLC 薄膜的Raman 分析  62-64
    5.4.2 400℃退火后偏压对DLC 薄膜表面粗糙度分析  64-65
    5.4.3 400℃退火后偏压对DLC 薄膜表面接触角分析  65-66
  5.5 本章小结  66-67
结论  67-68
参考文献  68-74
致谢  74-75
附件  75

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工业通用技术与设备 > 薄膜技术
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