離子注入對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膜制膜前先對其基底不銹鋼進行鎢離子注入預(yù)處理和DLC成膜后的鎢離子注入

2、后處理進行了研究，以提高膜基的結(jié)合強度及相關(guān)性能。對于改性前后體系的化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的改善進行了系統(tǒng)的研究，并對強化機制進行了相應(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，并對離子注入工藝參數(shù)如負偏壓及C2H2/Ar氣流量比率對DLC膜表面形貌、組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的影響

3、進行了重點的研究。當負偏壓為-20kV，F(xiàn)C2H2:FAr比率為20/5時，DLC薄膜的性能最佳。 其次，在DLC薄膜制備前，先對其不銹鋼基底進行W離子注入預(yù)處理的研究。利用W與C元素間較強的化學(xué)親和力，預(yù)先在不銹鋼基底表面獲得漸變的WC過渡層，減少了DLC制備過程中表面游離碳的擴散。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點，避免被重新蒸發(fā)。經(jīng)過W離子注入預(yù)處理后的薄膜體系在劃痕測試中體現(xiàn)了更好

4、的抵抗能力，膜基結(jié)合強度大為提高。此外，W離子注入預(yù)處理參數(shù)的選擇對薄膜的性能相當重要。在同樣的DLC薄膜的制備條件下，過渡層中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，采用較高的負偏壓-20kV及較大的注入劑量5×1017ions-cm-2對不銹鋼基底進行預(yù)處理，明顯地促進了DLC薄膜的生長，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)合強度。 最后，在硅(100)基底上制備DLC薄膜

5、后，對DLC膜進行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理?；瘜W(xué)效應(yīng)及損傷驅(qū)動的共同作用形成非晶碳膜中鑲嵌著微晶的獨特結(jié)構(gòu)。該研究探