硅摻雜類金剛石薄膜表面性能研究

　　本文使用原子力顯微鏡考察了硅摻雜類金剛石薄膜的表面形貌及粗糙度，同時(shí)分析了薄膜表面的粘附力和微觀摩擦力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)表明，隨著基底負(fù)偏壓的增加, 薄膜的表面粗糙度值逐漸減��；摩擦力和外加載荷成線性關(guān)系，且粘附力是微小載荷下影響固體滑動(dòng)摩擦力的主要因素，并采用最佳擬合直線的斜率表征出樣品的摩擦系數(shù)的大小。

　　研究發(fā)現(xiàn)，巨大的內(nèi)應(yīng)力及較差的結(jié)合力是類金剛石碳膜的兩大缺陷，很大程度上制約了其發(fā)展^[1] 。實(shí)驗(yàn)證明，元素?fù)诫s類金剛石薄膜可以從多方面改善類金剛石薄膜的特性, 如增強(qiáng)薄膜的韌性、提高薄膜的負(fù)荷承載力、改善摩擦學(xué)特性等^[2~5]  ,特別是在降低內(nèi)應(yīng)力、提高薄膜與基體結(jié)合強(qiáng)度方面有極明顯的效果^[6] 。目前用于摻雜的主要元素有Si、B、N、Cr、Ti、Ag、Cu 等[7]，特別是向DLC 膜中添加硅元素，可以使薄膜中的sp3 碳結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境相對(duì)濕度的依賴程度減弱、減小內(nèi)應(yīng)力、增強(qiáng)薄膜和金屬基體的結(jié)合力、提高薄膜的熱穩(wěn)定性和光學(xué)帶隙^[8~9] 。

　　本文作者利用微波- ECR 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積和等離子體增強(qiáng)非平衡磁控濺射兩種工藝同步進(jìn)行的方法制備了硅摻雜類金剛石薄膜，并采用了原子力顯微鏡（AFM）對(duì)類金剛石薄膜的表面性能進(jìn)行了探討和研究。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1.1、薄膜制備

　　利用雙放電腔微波- ECR 等離子體增強(qiáng)化學(xué)沉積和等離子體增強(qiáng)非平衡磁控濺射兩種工藝同步進(jìn)行的方法。分別以CH4+Ar 混合氣體為反應(yīng)氣體，以高純硅靶做為摻硅硅源，通過(guò)調(diào)整硅靶的濺射偏壓，改變硅的摻雜量，在Si（100）基體上制備出了硅摻雜類金剛石碳膜。微波功率為850 W，沉積時(shí)間均為60 min。濺射偏壓分別為250 V、300 V、350 V、400 V 和450 V。制備了5種不同厚度的硅摻雜DLC 薄膜試樣，編號(hào)分別為樣品1、樣品2、樣品3、樣品4 和樣品5, 厚度依次為200、250、350、400、500 nm。

1.2、實(shí)驗(yàn)方法

　　利用原子力顯微鏡模塊觀察制備的硅摻雜DLC 薄膜形貌。通過(guò)摩擦力顯微鏡(FFM)模塊，對(duì)樣品的納米摩擦性能進(jìn)行了研究。其原理是通過(guò)內(nèi)部的4 象限光強(qiáng)檢測(cè)器同時(shí)測(cè)定針尖微懸臂的彎曲（正壓力信號(hào)）和扭轉(zhuǎn)（摩擦力信號(hào)）。通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式可以同時(shí)將彎曲信號(hào)和扭轉(zhuǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)化成為相應(yīng)的外加載荷和摩擦力的大小。由于探針扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)標(biāo)定困難, 試驗(yàn)中測(cè)得的摩擦力值用電壓信號(hào)值表示, 不影響定性的說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)條件為：大氣溫度為15℃；空氣相對(duì)濕度（RH）為40%；AFM 球頭探針，懸梁臂參數(shù)為：T =2 μm(厚度)，W=50 μm(寬度)，L=450 μm(長(zhǎng)度)，F(xiàn).C.=0.2 N/m(剛度系數(shù)),R.F.=13 KHz(響應(yīng)頻率),探針球頭半徑為900 nm。

3、結(jié)論

　　本文使用掃描探針顯微鏡考察了DLC 薄膜的表面形貌、表面粘附力和表面摩擦性能之間關(guān)系, 并對(duì)摩擦力表征的方法進(jìn)行了探討, 得到的結(jié)論如下：

　　(1) 隨著基底負(fù)偏壓的增加, 薄膜的表面粗糙度值逐漸減小，濺射偏壓為400V 左右時(shí)，沉積所得到的薄膜，表面形貌比較好，且薄膜表面粘附力值小。

　　(2) 低載荷的作用下,微觀摩擦力并非像宏觀摩擦一樣主要由法向載荷造成, 而粘附力是微小載荷下影響固體滑動(dòng)摩擦力的主要因素。并采用最佳擬合直線的斜率表征出樣品的摩擦系數(shù)的大小。

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