硅掺杂类金刚石薄膜表面性能研究

2010-03-30 刘翊江苏大学微纳米科学技术研究中心

　　本文使用原子力显微镜考察了硅掺杂类金刚石薄膜的表面形貌及粗糙度，同时分析了薄膜表面的粘附力和微观摩擦力学性能。实验表明，随着基底负偏压的增加, 薄膜的表面粗糙度值逐渐减小；摩擦力和外加载荷成线性关系，且粘附力是微小载荷下影响固体滑动摩擦力的主要因素，并采用最佳拟合直线的斜率表征出样品的摩擦系数的大小。

　　研究发现，巨大的内应力及较差的结合力是类金刚石碳膜的两大缺陷，很大程度上制约了其发展^[1] 。实验证明，元素掺杂类金刚石薄膜可以从多方面改善类金刚石薄膜的特性, 如增强薄膜的韧性、提高薄膜的负荷承载力、改善摩擦学特性等^[2~5] ,特别是在降低内应力、提高薄膜与基体结合强度方面有极明显的效果^[6] 。目前用于掺杂的主要元素有Si、B、N、Cr、Ti、Ag、Cu 等[7]，特别是向DLC 膜中添加硅元素，可以使薄膜中的sp3 碳结构更稳定、对环境相对湿度的依赖程度减弱、减小内应力、增强薄膜和金属基体的结合力、提高薄膜的热稳定性和光学带隙^[8~9] 。

　　本文作者利用微波- ECR 等离子体增强化学气相沉积和等离子体增强非平衡磁控溅射两种工艺同步进行的方法制备了硅掺杂类金刚石薄膜，并采用了原子力显微镜（AFM）对类金刚石薄膜的表面性能进行了探讨和研究。

1、实验部分

1.1、薄膜制备

　　利用双放电腔微波- ECR 等离子体增强化学沉积和等离子体增强非平衡磁控溅射两种工艺同步进行的方法。分别以CH4+Ar 混合气体为反应气体，以高纯硅靶做为掺硅硅源，通过调整硅靶的溅射偏压，改变硅的掺杂量，在Si（100）基体上制备出了硅掺杂类金刚石碳膜。微波功率为850 W，沉积时间均为60 min。溅射偏压分别为250 V、300 V、350 V、400 V 和450 V。制备了5种不同厚度的硅掺杂DLC 薄膜试样，编号分别为样品1、样品2、样品3、样品4 和样品5, 厚度依次为200、250、350、400、500 nm。

1.2、实验方法

　　利用原子力显微镜模块观察制备的硅掺杂DLC 薄膜形貌。通过摩擦力显微镜(FFM)模块，对样品的纳米摩擦性能进行了研究。其原理是通过内部的4 象限光强检测器同时测定针尖微悬臂的弯曲（正压力信号）和扭转（摩擦力信号）。通过相应的转换公式可以同时将弯曲信号和扭转信号转化成为相应的外加载荷和摩擦力的大小。由于探针扭转弹性系数标定困难, 试验中测得的摩擦力值用电压信号值表示, 不影响定性的说明。实验条件为：大气温度为15℃；空气相对湿度（RH）为40%；AFM 球头探针，悬梁臂参数为：T =2 μm(厚度)，W=50 μm(宽度)，L=450 μm(长度)，F.C.=0.2 N/m(刚度系数),R.F.=13 KHz(响应频率),探针球头半径为900 nm。

3、结论

　　本文使用扫描探针显微镜考察了DLC 薄膜的表面形貌、表面粘附力和表面摩擦性能之间关系, 并对摩擦力表征的方法进行了探讨, 得到的结论如下：

　　(1) 随着基底负偏压的增加, 薄膜的表面粗糙度值逐渐减小，溅射偏压为400V 左右时，沉积所得到的薄膜，表面形貌比较好，且薄膜表面粘附力值小。

　　(2) 低载荷的作用下,微观摩擦力并非像宏观摩擦一样主要由法向载荷造成, 而粘附力是微小载荷下影响固体滑动摩擦力的主要因素。并采用最佳拟合直线的斜率表征出样品的摩擦系数的大小。

参考文献

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