基片温度对脉冲激光沉积CNx薄膜的组织结构和摩擦学性能的影响
采用脉冲激光烧蚀氮化碳薄膜靶，在室温至450℃基片温度下制备了CNx薄膜。利用扫描电镜、X射线衍射仪、X射线光电子谱仪和拉曼光谱仪等对薄膜的形貌、结晶性和结合键状态进行了表征。采用球-盘式摩擦仪测试了薄膜在大气中(相对湿度60%~62%)的摩擦磨损性能。结果表明：所得CNx薄膜均呈非晶状态，表面形貌与基片温度无关。随着基片温度的升高，薄膜含氮量由原子分数25.3%下降至21.2%，膜中sp3C-C键的含量增加且在300℃时达到最高，N-sp3C键的含量下降且在150℃ 时最高;拉曼谱中ID/IG比值上升，G峰蓝移且半高宽下降，薄膜结构有序度升高-石墨化程度增加; 薄膜的摩擦系数从0.23下降至0.13，磨损率从3.0× 10-15m3N-1m-1上升至9.3×10-15m3N-1m-1。
A. Y. Liu和M. L. Cohen等从理论上预言了beta-C3N4 晶体具有相当高的体弹性模量，甚至高于金刚石，是新一代的超硬材料。到目前为止，超硬氮化碳晶体的合成未获得真正意义上的成功，但以非晶体形式存在的氮化碳(a-CNx)也表现出了良好的耐磨性能和固体润滑效果。近年来，在一定条件下获得的CNx 薄膜已经尝试替代类金刚石(DLC)膜，被应用于硬盘，读写磁头以及半导体器件。
CNx薄膜的性能与其制备技术及工艺密切相关，在本质上取决于薄膜的内部构造，如晶体类型、含氮量以及处于多种杂化状态的C原子与N原子之间的价键状态(形成sp2C-N、s3C-N和sp1C-N键)。随着沉积技术的不断发展，脉冲激光沉积(PLD)技术在制备碳基薄膜材料方面得到了长足的发展。已有研究表明，在PLD 过程中辅以射频放电、选用含C-N 键的材料为靶材等手段改变PLD羽辉的化学环境，能够改善CNx薄膜的含氮量和sp2C、sp3C杂化键的相对比例。作者在前期运用脉冲激光烧蚀CNx靶沉积CNx薄膜的工作中也观察到薄膜含氮量的提升和价键结构改变。本文在此基础上开展了不同基片温度下烧蚀CNx靶制备CNx薄膜试验，采用X射线衍线(XRD)、X射线光电子谱(XPS)和Raman光谱等对CNx薄膜的微观组织及价键结构进行了系统分析，并对所得薄膜的摩擦学特性进行评价，以阐明不同温度条件下该类CNx薄膜的组织结构、原子价键状态和耐磨性能。
通过对不同基片温度下CNx薄膜的成分、组织结构、结合键状态和摩擦学特性的分析，得到如下结论：
采用脉冲激光烧蚀CNx靶制备CNx可实现薄膜含氮量的提升，薄膜的沉积速率是传统PLD的5~ 6倍。在室温至450℃范围内，薄膜呈非晶态且表面形貌与基片温度不相关。随着基片温度的升高，薄膜的含氮量降低，石墨化程度增加。最利于形成sp3C-C键和N-sp3C键的温度分别是300℃和150℃。基片温度越高，薄膜的摩擦系数越低，但耐磨性越差。
