基體偏壓對高功率脈沖磁控濺射制備類石墨碳膜的影響研究

2014-01-02 張學(xué)謙天津師范大學(xué)

　　采用高功率脈沖磁控濺射技術(shù)于Si基底表面制備了類石墨碳膜，研究了基體偏壓對薄膜沉積速率、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明:隨著基底偏壓的增高，GLC薄膜sp2含量呈先減小后增加的趨勢，在-100V時達(dá)到最小值；其表面粗糙度逐漸降低；硬度和內(nèi)應(yīng)力逐漸增大；在基體偏壓為-300V時薄膜的摩擦性能最好，高sp2含量、高硬度和低表面粗糙度共同決定了GLC薄膜優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。

　　隨著新型納米復(fù)合薄膜的不斷開發(fā)和研究，固體潤滑薄膜有著非常廣闊的應(yīng)用前景。在眾多固體潤滑材料中，非晶碳膜具有高硬度、低摩擦系數(shù)和很高的耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，作為一類新型的減摩潤滑材料而備受關(guān)注。近年來以碳-碳sp2鍵為主的類石墨碳(graphite-likecarbon，GLC)膜克服了傳統(tǒng)類金剛石DLC(diamond-likecarbon，DLC)膜與鐵基材料發(fā)生觸媒反應(yīng)而受到重視。目前，GLC薄膜主要是通過直流磁控濺射和非平衡磁控濺射制備，但傳統(tǒng)的磁控濺射技術(shù)濺射的靶材大多以原子形態(tài)存在，離子能量較低，可控性較差，通過外部場很難控制加速，沉積薄膜的質(zhì)量和性能難有明顯優(yōu)化。高功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)技術(shù)是近年來研發(fā)出的一種新型物理氣相沉積方法，其特點(diǎn)是利用較高的脈沖峰值功率和較低的脈沖占空比來產(chǎn)生高離化率，峰值功率和等離子體密度是普通直流磁控濺射的1000倍，濺射銅靶離化率可高達(dá)70%以上，且束流不含大顆粒，近年來已引起研究者的廣泛關(guān)注。

　　在非晶碳膜的沉積過程中，沉積離子的能量對薄膜結(jié)構(gòu)和性能有很大的影響�？梢酝ㄟ^改變沉積過程中離子的能量，調(diào)控非晶碳膜中的sp2、sp3含量，實(shí)現(xiàn)硬度、彈性模量和摩擦學(xué)性能優(yōu)化的可控制備。在非晶碳膜沉積過程中，離子到達(dá)基體的能量可表示為

Ei=e(Vp-Vb)+E0(1)

　　其中，Ei表示離子到達(dá)基體時的能量，Vp為等離子體電勢，Vb為基體偏壓，E0為離子在等離子體中的起始能量。由式(1)可知，改變基體負(fù)偏壓可以有效地改變離子到達(dá)基體的能量，偏壓越大，離子到達(dá)基體時的能量越大。因此，本文采用HIPIMS技術(shù)制備GLC薄膜，利用HIPIMS高的離化率，通過改變偏壓有效控制沉積離子的能量，研究不同基體偏壓對HIPIMS制備GLC薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律。

1、實(shí)驗(yàn)

　　1.1、薄膜制備

　　基體材料P(100)型單晶Si片用于結(jié)構(gòu)表征和性能測試，靶材選用99.95%高純度石墨靶。實(shí)驗(yàn)用高功率脈沖磁控濺射電源為哈爾濱工業(yè)大學(xué)，進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的高功率復(fù)合脈沖磁控濺射電源。圖1為電源電路結(jié)構(gòu)圖，采用直流和脈沖電源并聯(lián)疊加的形式，直流電源給磁控靶提供恒定的直流電流，脈沖電源通過將直流電壓斬波成脈沖電壓向靶材提供脈沖電流。

電源電路結(jié)構(gòu)圖

圖1 電源電路結(jié)構(gòu)圖

　　沉積GLC薄膜前，首先將基體依次放入丙酮和酒精中超聲波清洗各15min，冷風(fēng)吹干后裝入真空腔樣品架，將基體待鍍面轉(zhuǎn)至正對濺射靶材適當(dāng)位置待鍍。當(dāng)真空室真空度抽至4.5×10^-3 Pa以下時，通入100ml/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))氬氣，保持基體偏壓-500V，利用輝光放電對樣品表面和靶材表面進(jìn)行輝光刻蝕清洗20min；清洗后通入50ml/min氬氣，并開啟HIPIMS電源，調(diào)節(jié)并保持脈沖偏壓1000V，頻率50Hz，脈寬65Ls，復(fù)合直流110A，沉積GLC薄膜，沉積時對基體施加不同的偏壓，分別為-50，-100，-200和-300V，沉積時間為2h，整個沉積過程中，基體以一定的自轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn)，保持薄膜的均勻性。

　　1.2、薄膜表征

　　采用美國Kla-TencorAlpha-StepIQ臺階儀對GLC薄膜的厚度進(jìn)行測量，并通過計(jì)算得到薄膜的沉積速率；利用日本島津生產(chǎn)的AXISULTRADLD型號的X射線光電子能譜(XPS)(分辨率為0.48eV的單色Al(mono)KA射線源，入射能量為160eV，每個樣品測試前用氬離子槍濺射清洗120s)檢測薄膜中存在的鍵位；采用英國RENISHAWinVia型號激光共聚焦拉曼(Raman)光譜儀(激發(fā)633nm氬離子激光束，測量范圍800~2000cm-1)對薄膜C鍵進(jìn)行檢測；使用美國Veeco3100型號原子力顯微鏡(AFM)輕敲模式對薄膜表面形貌和粗糙度進(jìn)行測試；采用美國MTS公司生產(chǎn)的NANOG200型號納米壓痕儀，運(yùn)用連續(xù)剛度法測試薄膜硬度，壓痕深度分辨率小于0.01nm，壓入6個點(diǎn)，取壓入深度為薄膜厚度的十分之一處的結(jié)果為薄膜的硬度值；GLC薄膜的殘余應(yīng)力采用韓國J&L公司的JLCST022殘余應(yīng)力儀進(jìn)行測量，其應(yīng)力測試范圍0.001~100GPa，分辨率0.001GPa；采用韓國J&L公司的JLTB-02型球盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試不同沉積參數(shù)下制備的GLC薄膜在室溫大氣環(huán)境下的摩擦學(xué)性能，摩擦測試參數(shù)為:載荷3N、旋轉(zhuǎn)半徑3mm、線速度100mm/s、行程200m，對磨球是直徑為6mm、硬度不小于60HRC的SUJ2/GCr15軸承鋼球；采用日本FEIQuanta250FEG掃描電子顯微鏡(SEM)對薄膜磨痕和磨球磨斑形貌進(jìn)行觀察。