不同比例钛掺杂对类金刚石薄膜性能的影响

· 175 ·第 40 卷 第 2 期

Journal of Ceramics

Vol.40 No.2

Apr. 2019

第 40 卷 第 2 期2019 年 4 月DOI：10.13957/ki.tcxb.2019.02.008

Received date:2018-09-17. Revised date:2018-12-12.Correspondent author: ZHANG Ergeng(1973-), Male, Ph.D., Professor.E-mail:zhangeg@

收稿日期：2018-09-17。 修订日期：2018-12-12。基金项目：上海市科委重点支撑计划(170905038000)。通信联系人：张而耕(1973-)，男，博士，教授。

不同比例钛掺杂对类金刚石薄膜性能的影响

张而耕 1

，张致富 1

，周 琼 1

，黄 彪 1

，陈 强 1

，施舒扬 2

，韩 明

2

(1.上海应用技术大学上海物理气相沉积(PVD)超硬涂层及装备工程技术研究中心，上海 201418；

2.上海紫日包装有限公司，上海 201108）)

摘 要：为研究钛掺杂对类金刚石薄膜性能的影响，采用磁控溅射制备不同比例钛掺杂类金刚石膜，并通过扫描电镜

(SEM)、X-ray光电子谱仪、拉曼光谱仪(Roman)以及洛氏硬度压痕仪等设备对类金刚石薄膜的微观形貌、厚度、sp 2-C与sp 3-C比例、结合强度以及内应力等性能进行表征。经实验分析发现在类金刚石薄膜中掺杂不同比例的钛元素，薄膜的综合性能有不同程度的提高，膜基结合度提高，薄膜内应力下降。当钛掺杂含量为8.5%时，薄膜与基体的结合情况优异，内部应力由无钛掺杂时的4.5 GPa降至掺杂含量为8.5%时的2.1 GPa。从本文研究中可以得到钛元素掺杂有利的改善了类金刚石薄膜的性能，同时钛掺杂类金刚石薄膜存在一个合适的比例，即掺杂比例为8.5%时，薄膜的各方面性能表现优异。

关键词：类金刚石膜；磁控溅射离子镀；结合力；内应力；钛掺杂

图法分类号：TQ174.75 文献标识码： A 文章编号：1000-2278(2019)02-0175-06

Effects of Different Ratios of Titanium Doping on the Serviceability of

Diamond-like Carbon Films

ZHANG Ergeng, ZHANG Zhifu, ZHOU Qiong, HUANG Biao, CHEN Qiang, SHI Shuyang, HAN Ming

(1.Shanghai Engineering Research Center of Physical Vapor Deposition (PVD) Superhard Coating and Equipment, Shanghai Institute

of Technology, Shanghai 201418, China; 2. Shanghai Zi Ri Packaging Co., Ltd, Shanghai 201108, China)

Abstract: Diamond-like carbon films with different proportions of titanium dopant were prepared by magnetron sputtering. The effect of

titanium doping on their properties was studied. The microstructure, thickness, sp 2-C and sp 3-C ratio, bonding strength and internal stress of the diamond-like carbon films were researched by the experiments. Results show that the properties of the DLC films can be improved by doping titanium dopant. The titanium dopant enhances the film-base bonding degree and decreases the internal stress. When the proportion of the titanium dopant reaches 8.5%, the bonding between the film and the substrate is excellent, and the internal stress, which is 4.5 GPa without titanium dopant, is reduced to 2.1 GPa. It can be obtained from this study that the doping of titanium element can improve the performance of the diamond-like carbon film. When the proportion of titanium dopant is 8.5%, the performance of the DLC film is excellent.

Key words：diamond-like carbon film; magnetron sputtering ion plating; bonding force; internal stress; titanium doping

0 引 言

类金刚石膜(DLC)是一类含有金刚石结构和石墨结构的亚稳非晶态物质，主要以sp 3和sp 2杂化键结合(如图1)[1-4]，sp 2-C和sp 3-C的比例可以在一定范围内发生变化，当sp 3-C的含量高时，薄膜呈现类似于金刚石的性质，而当sp 2-C的含量高时，薄膜的性质与石墨性质接近。DLC膜具有优良的物理化学性质，目前在机械、电子、光学、医学等领域有着广泛的应用[5-6]。由于DLC膜在沉积过程中会产生较大的内应力(可高达3-5 GPa)，对薄膜的使用性能造成了严重的影响，主要表现在工作中受到较大力

的冲击，薄膜就会因为内部大的应力而局部剥落，使刀具受力不均，磨损严重，影响刀具使用寿命，影响了整个工业生产进程[7-9]。

随着中国制造2025的不断推进，人们对涂层产品的质量要求也更加苛刻，因此需要找到一些较好方法来降低薄膜内部大的应力，从而提高薄膜与基体的结合强度。Cristescu R等发现类金刚石薄膜中掺杂金属元素(如Cr、Ti等)能有效地降低薄膜中的内应力，使薄膜的使用寿命显著提高[10-17]。Narayan R J等在实验中将金属掺杂元素作为过渡层也有效提高薄膜和基体的结合力[9-19]。在薄膜制备过程中进行元素掺杂或者选择某种元素作为过渡层均可以