类金刚石薄膜

类金刚石薄膜材料

班级：材料物理081401

姓名：谭旭松

学号：200714020124

1.1类金刚石薄膜材料的概述

类金刚石薄膜（Diamond Like Carbon）简称DLC,它是一类性质近似于金刚石，以sp3和 sp2键杂化的碳原子空间网络结构的亚稳态非晶碳膜。依据制备方法和工艺不同，DLC的性质可以在非常大的范围变化，既可能非常类似与金刚石，也可能非常类似与石墨。其硬度、摩擦系数、导热率、光学带隙、光学透光率、电阻率等都可以依据需要进行“调制”。一般类金刚石薄膜沉积温度较低、膜面平整光滑，因而在机械电子光学声学计算机的很多领域得到应用，如耐磨层、高频扬声器振膜、光学保护膜等，因此对DLC的开发研究引起很多材料工作者的极大关注。自从1971年Aisenberg 和Chabot 两位科学家利用碳离子束沉积出DLC 薄膜以来，人们已经成功地研究出了许多物理气相沉积、化学气相沉积以及液相法制备DLC 薄膜的新方法和新技术。这之中有两个法分别为气相法和沉积法。

1.2类金刚石薄膜材料的结构和分类

常态下碳有三种键和方式：sp1，sp2，sp3。在sp3态碳原子的四个电子按四面体形状分布成sp3杂化轨道，形成强σ键；在sp2态，碳原子的四个电子中的三个形成在同一平面内的三次轴对称的sp2杂化轨道，它们可形成强σ键第四个电子轨道与该平面垂直，形成π键；在sp1态，仅两个电子形成σ键，另两个电子形成π键。金刚石（diamond）—碳碳以 sp3键的形式结合；石墨（graphite）—碳碳以sp2键的形式结合；而类金刚石（DLC）—碳碳则是以sp3和 sp2键的形式结合，生成的无定形碳的一种亚稳定形态，它没有严格的定义，可以包括很宽性质范围的非晶碳，因此兼具了金刚石和石墨的优良特性；所以由类金刚石而来的DLC膜同样是一种亚稳态长程无序的非晶材料，碳原子间的键合方式是共价键，主要包含sp2和sp3两种杂化键，因而类金刚石薄膜的结构和性能介于金刚石和石墨之间，收沉积环境和沉积方式影响类金刚石薄膜中还可能含有H等杂质，形成一定数量的C-H键。

类金刚石薄膜（DLC）是1种非晶薄膜，可分为无氢类金刚石碳膜(a-C)和氢化类金刚石碳膜(a-C：H)两类。无氢类金刚石碳膜有a-C膜(主要由sp3和sp2键碳原子相互混杂的三维网络构成)，以及四面体非晶碳(tetrahedral carbon，简称ta-C)(主要由超过80％的sp3键碳原子为骨架构成)；氢化类金刚石碳膜(a-C：H)又可分为类聚合物非晶态碳(polymer—like carbon，简称PLC)、类金刚石碳、类石墨碳3种，其三维网络结构中同时还结合一定数量的氢.

类金刚石碳膜（diamond-like carbon films，简称DLC膜），的基本成分是碳，由于其碳的来源和制备方法的差异，DLC膜可分为含氢和不含氢两大类。DLC膜是一种亚稳态长程无序的非晶材料，碳原子间的键合方式是共价键，主要包含sp2和sp3两种杂化键，在含氢DLC膜中还存在一定数量的C-H键。我们从1996年起开始磁过滤真空弧及沉积DLC膜研究，正在完善工业化技术。如等离子体源沉积法、离子束源沉积法、孪生中频磁控溅射法、真空阴极电弧沉积法和脉冲高压放点等。不同的制备方法，DLC膜的成分、结构和性能不同。类金刚石碳膜作为新型的硬质薄膜材料具有一系列优异的性能，如高硬度、高耐磨性、高热导率、高电阻率、良好的光学透明性、化学惰性等，可广泛用于机械、电子、光学、热学、声学、医学等领域，具有良好的应用前景。我们开发了等离子体-

离子束源增强沉积系统，并同过该系统中的磁过滤真空阴极弧和非平衡磁控溅射来进行DLC膜的开发。该项技术广泛用于电子、装饰、宇航、机械和信息等领域，用于摩擦、光学功能等用途。目前在我国技术正处于发展和完善阶段，有巨大市场潜力。

1.3类金刚石薄膜材料的制备

目前已研究开发出多种类金刚石薄膜的制备方法，这些方法可大致分为两类：物理气相沉积法和化学气相沉积法。物理气相沉积法有热蒸汽沉积和溅射沉积两种：热蒸汽法气相沉积是在真空下加热蒸发材料（石墨），是蒸发粒子沉积在基板表面形成薄膜的一种方法，按加热方式不同，热蒸发有激光蒸发和电子束加热等方法；溅射沉积是用高能粒子轰击靶物质（石墨），与靶表面原子发生弹性或非弹性碰撞，结果部分靶表面原子或原子团簇蒸发出来，沉积在基板（衬底）形成薄膜。化学气相沉积方法是在高温条件下通过碳的氢化物，卤化物氧化物等的分解聚合氧化还原等化学反应过程，在基板上形成类金刚石薄膜的方法。通常的化学气相沉积类金刚石薄膜的方法有：直流辉光等离子体和射频辉光等离子法。

溅射沉积法

在阴极放靶材，在阳极放衬底，在装置的空间充以介质气体，介质气体在阴阳极之间的直流电厂作用下产生辉光发电，放点产生的正离子被阴极附近的电压降加速。不断轰击阴极靶材，使其表面原子飞溅出来，在阳极衬底上沉积成膜。采用高压电频源代替直流电源，是粒子和电子交叉轰击靶表面消除靶表面正电位。等离子体中的电子具有比离子更大的迁移率，靶表面堆积过剩的电子，从而在靶表面出现直流负偏压，结果是绝缘体靶同样发生溅射蒸发，其结果和直流电相比能更有效的发生电子碰撞离子，因此在0.133Pa的低气压下仍可以发生溅射。

直流辉光放电等离子体化学气相沉积

直流辉光放电等离子体化学气相沉积是通过直流辉光放电分解碳氢气体，从而激发形成等离子体等离子体与衬底发生相互作用并沉积成膜的类金刚石膜制备技术。在沉积过程中，从阴极发出的的二次电子在电场中加速，高速运动的电子和气体分子发生弹性的和非弹性的碰撞。在弹性碰撞中电子把一部分能量转化为分子运动的动能。但因电子和分子的质量相差很大，转移的能量很少，电子人具有很高的能量，分子的温度接近室温。当电子的能量大于气体的激发电位或电离电位时，电子与源物质的气体分子发生弹性的非弹性的碰撞，引起分子的分解、离化、激发和离解等过程。产生高能的基元粒子、长寿命亚稳原子、激发态原子、粒子和电子等大量活性粒子，这些活性粒子之间相互发生化学反应，由于高能电子提高了反应电=粒子的能量降低了热激活能的需求，有利于形成化合物，并且等离子体有利于源物质气体分子的分解，促进气相沉积的分解和化和过程，可在较低温度下陈继成膜。故具有沉积温度低，沉积速度快的特点。如增加一个与电场正交的磁场可以提高反应气体的离化率和沉积速率，通过改变基板负偏压，在制备过程中可调节各种离子的能量，从而制备出致密、均匀、高质量的薄膜，且沉积过程易于控制。