離子注入對(duì)DLC膜基的改性研究.pdf

1、離子注入后可引起材料表面的化學(xué)成分乃至組織結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而改變其物理，化學(xué)和力學(xué)性能，且注入層與基體之間沒(méi)有界面。因此，離子注入技術(shù)除用于半導(dǎo)體材料的摻雜外，還作為一種重要的材料表面改性手段，在科學(xué)技術(shù)和工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。本文首先采用等離子注入沉積(PIII-D)技術(shù)制備類金剛石碳膜(Diamond Like Carbon Film-DLC)，并在此基礎(chǔ)上，在DLC膜制膜前先對(duì)其基底不銹鋼進(jìn)行鎢離子注入預(yù)處理和DLC成膜后的鎢離子注入

2、后處理進(jìn)行了研究，以提高膜基的結(jié)合強(qiáng)度及相關(guān)性能。對(duì)于改性前后體系的化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的改善進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并對(duì)強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了相應(yīng)的探討。主要研究結(jié)果如下： 首先，采用PIII-D技術(shù)在316L不銹鋼上直接制備DLC薄膜。碳離子注入到不銹鋼基底中，離子濃度沿著注入方向呈高斯曲線分布，有利于DLC膜與不銹鋼基底的結(jié)合，并對(duì)離子注入工藝參數(shù)如負(fù)偏壓及C2H2/Ar氣流量比率對(duì)DLC膜表面形貌、組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的影響

3、進(jìn)行了重點(diǎn)的研究。當(dāng)負(fù)偏壓為-20kV，F(xiàn)C2H2:FAr比率為20/5時(shí)，DLC薄膜的性能最佳。 其次，在DLC薄膜制備前，先對(duì)其不銹鋼基底進(jìn)行W離子注入預(yù)處理的研究。利用W與C元素間較強(qiáng)的化學(xué)親和力，預(yù)先在不銹鋼基底表面獲得漸變的WC過(guò)渡層，減少了DLC制備過(guò)程中表面游離碳的擴(kuò)散。與未處理的樣品相比，沉積碳更易在W離子注入后的基底表面找到適合的成核生長(zhǎng)點(diǎn)，避免被重新蒸發(fā)。經(jīng)過(guò)W離子注入預(yù)處理后的薄膜體系在劃痕測(cè)試中體現(xiàn)了更好

4、的抵抗能力，膜基結(jié)合強(qiáng)度大為提高。此外，W離子注入預(yù)處理參數(shù)的選擇對(duì)薄膜的性能相當(dāng)重要。在同樣的DLC薄膜的制備條件下，過(guò)渡層中WC的含量關(guān)系到薄膜的厚度以及膜中的sp3、sp2鍵含量。經(jīng)研究，采用較高的負(fù)偏壓-20kV及較大的注入劑量5×1017ions-cm-2對(duì)不銹鋼基底進(jìn)行預(yù)處理，明顯地促進(jìn)了DLC薄膜的生長(zhǎng)，使得DLC薄膜擁有更高的sp3含量、平整的表面以及更好的膜基結(jié)合強(qiáng)度。 最后，在硅(100)基底上制備DLC薄膜

5、后，對(duì)DLC膜進(jìn)行W離子注入的后處理研究。經(jīng)此后處理，在近表面區(qū)域，膜中的鎢含量峰值達(dá)到27at.％，并在DLC膜中形成了最大直徑約5nm的碳化鎢納米晶粒。隨著由表面向薄膜內(nèi)部深入，碳化鎢納米晶粒的尺寸逐漸減小，而數(shù)量也逐漸減少，呈現(xiàn)出獨(dú)有的漸變結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)有利于表面應(yīng)力向內(nèi)部逐漸松弛及傳遞，提高膜基間的結(jié)合強(qiáng)度。從離子注入的特征與熱力學(xué)角度分析納米晶粒的形成機(jī)理?；瘜W(xué)效應(yīng)及損傷驅(qū)動(dòng)的共同作用形成非晶碳膜中鑲嵌著微晶的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。該研究探