超硬超厚類金剛石薄膜合成研究

采用過濾真空陰極直流弧源（Filtered Cathodic Vicuum Arc Deposition, FCVA）方法沉積超硬（>6000HV）超厚(微米級)的DLC/DLC多層薄膜。通過顯微硬度、內應力測量、XPS等方法表明，該薄膜顯著優于普通單層薄膜。
關鍵詞：DLC；類金剛石薄膜；FCVA；超硬超厚
中圖分類號：TN304.18 文獻標識碼：A

類金剛石（Diamond-like carbon, DLC）薄膜具有硬度高、摩擦系數低、表面光潔度高、電阻率高、熱導率高、高透光率、耐磨損、抗腐蝕、化學穩定性強、生物相容性好等許多優異的物理化學特性，與金剛石薄膜不同，DLC在室溫下制備，這就使得它能沉積于多種材料表面從而具有廣泛的應用前景。然而目前困擾研究者的主要問題是各種方法制備的DLC薄膜內應力普遍太高，以至于限制了DLC薄膜的厚度。為此，本研究探討了一種制備超硬超厚類金剛石薄膜的方法，初步獲得了硬度高同時內應力低的多層薄膜，并且厚度達到微米級。

類金剛石薄膜是在我們研制的過濾式陰極弧源沉積裝置[1]上制備的,如圖1。我們選用45鋼、單晶Si片(100)作為基體材料，分別使用50VDC、80VDC、110VDC、1000V偏壓沉積，見表1。將樣品清洗后置入真空室中，抽基礎真空至1×10-3Pa，并在沉積前通入Ar氣進行濺射清洗。通過改變沉積偏壓、沉積時間得到不同性能的DLC薄膜。

適當退火能降低內應力而不影響薄膜的結構[2,3]。由于決定DLC硬度的sp3鍵和薄膜內應力沒有必然的聯系，內應力產生于高能離子轟炸所引起的畸變能，該內應力可以通過sp2鍵的重組得到降低甚至消除，且重組所需能量遠低于sp3向sp2轉變的能量需求。據此，我們可以在適當的退火溫度下讓sp2鍵發生重組排列卻抑制sp3向sp2的轉變，從而獲得高硬度低應力的薄膜。退火的基礎真空是1×10－4Pa，退火溫度為180℃，時間是20min。