磁過濾器電流對非晶碳薄膜摩擦學特性影響的研究*

韓 亮 楊 立 楊拉毛草 王炎武 趙玉清

1)(西安交通大學電子與信息工程學院，西安 710049)2)(西安電子科技大學技術物理學院，西安 710071)(2009年10月17日收到;2010年7月13日收到修改稿)

磁過濾器電流對非晶碳薄膜摩擦學特性影響的研究*

韓 亮1)2)楊 立1)楊拉毛草1)王炎武1)趙玉清1)

1)(西安交通大學電子與信息工程學院，西安 710049)2)(西安電子科技大學技術物理學院，西安 710071)(2009年10月17日收到;2010年7月13日收到修改稿)

研究了過濾陰極真空電弧技術中，不同的磁過濾器電流下(5—13 A)，制備的四面體非晶碳(ta-C)薄膜對摩擦學特性的影響.通過對薄膜厚度，薄膜結構以及薄膜表面粗糙度隨磁過濾電流的變化結果進行了測試，結果表明，隨著磁過濾器電流的增大，薄膜的sp3鍵含量逐漸減少，表面粗糙度從0.13增大到0.38.磁過濾器電流在5 A時，薄膜的摩擦系數最小約為0.08，當電流增大到7 A時，摩擦系數顯著增大，磁過濾器電流從7 A增大到13 A時，薄膜的摩擦系數再次減小約為0.1.

四面體非晶碳，過濾陰極真空電弧，磁過濾器電流，摩擦系數

PACS:68.55.－ a，62.20.Qp

1.引 言

1991年McKenzie等首次應用過濾陰極真空電弧沉積技術制備了具有四面體結構的無序非晶碳膜［1］，并于1996年提出將sp3鍵含量超過70%的無氫非晶碳膜定義為四面體非晶碳(ta-C)膜，以區別于類金剛石膜DLC［2］，從而引起各國科學家高度重視.國內外大量研究表明，高的sp3鍵含量使得非晶四面體碳膜具有較好的力學特性［3，4］，非常接近于天然金剛石，具有廣泛的應用前景.

四面體非晶碳膜具有超高硬度和良好的摩擦學特性［5］.可以用于機械和航天航空等領域中的運動部件，解決其減小摩擦、磨損、耐腐蝕和延長壽命等問題，它的推廣應用，將產生巨大的經濟效益.Anderss等［6］的研究表明測試環境對四面體非晶碳膜的摩擦學特性有較大影響.Yu等［7］研究了沉積在不同基底上的四面體非晶碳膜的摩擦學特性也有較大不同.Sheeja等［8］研究了不同偏壓下四面體非晶碳膜摩擦系數，結果表明隨著基片偏壓的增大略有降低，但是磨損率會顯著增大.

目前關于離子沉積能量與ta-C薄膜結構的關系研究很多［9—12］，但有關磁過濾電流對 ta-C薄膜結構，以及摩擦學特性的影響研究還很少.本文采用S形彎管磁過濾陰極技術，制備了四面體非晶碳膜，并通過改變磁過濾電流，研究磁過濾電流對ta-C薄膜sp3含量、以及表面平整度的影響，從而研究其摩擦學特性，有關研究結果目前還未見到相同的報道.

本文研究結果證明，隨著磁過濾電流的改變，會對薄膜中sp3鍵含量、表面粗糙度，以及摩擦學特性產生較大的影響.因此，優化和穩定磁過濾器的電流，將會大大提高ta-C薄膜的特性，使薄膜具有穩定的、良好的摩擦學特性，從而應用于工業產品中.

2.實 驗

2.1.ta-C薄膜制備

利用過濾陰極真空電弧技術制備ta-C薄膜，陰極采用純度為99.99%的石墨，磁過濾器采用S形彎管，基片材料為單晶硅單面拋光片.試驗前，基片使用無水乙醇和丙酮進行超聲清洗各15 min，吹干后放入真空室，沉積前，待真空室的本底氣壓降至10－3Pa數量級，首先利用氬離子轟擊基片表面，除去基片表面的氧化層處理時間約15 min，處理完后，沉積ta-C薄膜，此時設置電弧電流90 A，基片施加200 V的直流脈沖偏壓.改變磁過濾器的電流參數依次為 5，7，9，11，13 A，制備不同的樣品.

2.2.測試方法

摩擦系數采用WTM-2E微型摩擦磨損試驗儀測試，測試數據包括實時摩擦系數、平均摩擦系數，儀器為球-盤式，對偶摩擦材料為直徑 4 mm的GCr15鋼球，測試載荷為2 N，轉速為 800 r/min，旋轉半徑為4 mm，當薄膜失效時，摩擦系數會發生突變.利用 α-step臺階儀測定樣品的薄膜厚度，利用agilent5500接觸式原子力顯微鏡觀察薄膜的表面形貌.利用 Jobin Yvon Raman光譜儀分析 ta-C膜結構，波長514 nm，激光輸入功率20 mW，采樣時間180 s.

3.實驗結果與討論

3.1.厚度測試

在磁過濾器電流分別為 5，7，9，11，13 A 時，制備薄膜厚度相同的五個樣品，用臺階儀測試樣品的膜厚均為100 nm.隨著磁過濾器電流的增加，沉積薄膜達到樣品厚度的時間縮短，說明薄膜沉積率在增大，主要原因是，在磁過濾器電流增大時，過濾器出口的離子數量隨著電流增加而增多，離子流明顯的增大，從觀察窗可以明顯看到，在13 A時，濾質器出口的離子束流亮度最高.

3.2.樣品結構表征

拉曼光譜通常被用來間接表征四面體非晶碳(ta-C)膜的結構，測得在不同磁過濾電流時沉積的ta-C薄膜的拉曼光譜如圖1所示.

圖1 不同磁過濾器電流沉積ta-C的拉曼光譜

圖2 耦合系數Q隨磁過濾器電流變化

由圖1可以看出，所有薄膜光譜在1300—1700 cm－1的范圍內均呈現一個大致以1560 cm－1為中心的非對稱寬峰，在1300—1400 cm－1之間看不到反映環形sp2場伸縮的D峰峰肩，這是典型的非晶四面體碳的拉曼光譜圖.Prawer等發現非對稱寬峰的傾斜程度可以來表征薄膜中sp2和sp3的雜化比例，拉曼光譜可以利用一個非對稱的單斜BWF函數曲線進行擬合［13］.BWF函數的耦合系數 Q可以用來表征寬峰的傾斜程度.當Q－1趨近零時，恢復對稱的洛倫茲線型，此時 sp3含量最高.耦合系數 Q和與sp2鍵含量之間的準確函數關系并沒有被建立，但是已有研究表明，如果耦合系數小于－20，那么薄膜的 sp3鍵含量將大于 80%［13］.如同 Zhang［14］文中的擬合，一個BWF線型就可以滿足圖1中各譜線的擬合.圖2可見，磁過濾器電流為5 A時，耦合系數最小，說明此時薄膜sp3鍵含量最高.隨著磁過濾器電流的增大，薄膜中sp3鍵含量逐漸下降，這或許是因為增大磁過濾器電流相應也增大了薄膜的沉積率［15］，薄膜沉積過程中的熱會導致薄膜的應力釋放，減小薄膜中 sp3鍵的含量［16］.

3.3.樣品表面形貌

圖3是利用原子力顯微鏡觀察的ta-C膜的表面形貌.圖3(a)—(e)分別為取了磁過濾器電流為5—13 A時沉積的薄膜作為觀察對象，觀察區域均為 1 μm ×1 μm.從圖 3中可以看出，磁過濾器電流從5 A增大到13 A時，薄膜的表面變得粗糙，表面粗糙度 RMS值從0.13增大到0.38;這是因為隨著磁過濾器電流的增大，質量較大的粒子也可以通過，出現非單個碳原子的離子，因此造成薄膜中的sp3鍵含量減少，且增大了薄膜表面的粗糙度［17］.

圖3 不同磁過濾器電流沉積ta-C的AFM表面形貌圖 (a)—(e)磁過濾器電流分別為5，7，9，11，13 A

3.4.摩擦系數

圖4 不同磁過濾器電流下制備樣品的摩擦系數

各樣品摩擦系數的測量在常規實驗室的環境下進行，測試圈數為20000圈(0.502 km)，測試結果如圖4所示.從圖4曲線中可看出，薄膜在測試中均未發生失效，說明所沉積的薄膜的耐磨性相當優異.在所測試的樣品中，磁過濾器電流為5 A時，摩擦系數較小，這是因為此時薄膜的 sp3鍵含量最高，薄膜表面最光滑平整，且整體硬度大.在摩擦測試中，薄膜對鋼球施加正向和切向力，摩擦的初期，由于薄膜的高硬度，將鋼球表面的微突迅速拋光，接觸的表面極其光滑，因此摩擦系數很小約為0.08，隨著摩擦圈數的增加，鋼球的磨損會略微加劇，摩擦接觸表面積增加，這會增大摩擦系數［18］，但是此時由于薄膜表面在摩擦中的石墨化將會起到自潤滑的作用［19，20］，因此摩擦系數仍然能保持很小.在磁過濾器電流為7 A時，由于表面較5 A時變得粗糙，因此對鋼球的磨損加劇，其摩擦接觸表面積快速增大，而在此時薄膜仍然具有較高的sp3鍵含量，表面石墨化的速率較慢，因此此時摩擦系數比較大，但是仍然保持在0.2左右.隨著磁過濾器電流的增大，薄膜的表面變得更加粗糙，但是薄膜中 sp3鍵含量減少，sp2鍵含量增多，因對鋼球磨損速率減小，同時石墨化加快，因此自潤滑效果增強，摩擦系數又逐漸變小.因此，選擇合適的磁過濾器電流對沉積的薄膜獲得良好的摩擦學性能十分重要.

4.結 論

本文通過對ta-C薄膜厚度，薄膜結構以及薄膜表面粗糙度的測試，研究了過濾陰極真空電弧技術中，不同的磁過濾器電流下，制備的四面體非晶碳薄膜的摩擦學特性.結果表明:

1.不同的磁過濾器電流使薄膜的sp3鍵含量不同、表面粗糙度不同，這將影響薄膜的摩擦系數;

2.當磁過濾器電流不同時，摩擦系數有明顯差別，在5 A時，薄膜的摩擦系數最小約為0.08，當電流增大到7 A時，摩擦系數顯著增大，磁過濾器電流從7 A增大到13 A時，薄膜的摩擦系數再次減小到約0.1，說明，由于磁過濾電流變化引起的薄膜結構變化，對薄膜的摩擦學特性有較大影響.

［1］ RMcKenzi D，Muller D，Palithorp B A 1991 Phys Rev.Lett.67 773

［2］ RMcKenzi D 1996 Rep.Prog.Phys.59 1611

［3］ Ander A，Ander S，Brown I G，Plasma 1995 Source Sci.Technol.4 1

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［5］ Grill A 1999 Diamond Relat.Mater.8 428

［6］ Andersson J，Erck R A，Erdemir A 2003 Wear 254 1070

［7］ Yu X，Zhang X，Wang C B，Meng H，Wang L G 2004 Vacuum 75 231

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［11］ Shi X，Flynn D，Tay B K，Prawer S，Nugent K W，Silva S R P，Lifshitz Y，Milne W I 1997 Philosophical Magazine B 76 351

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［13］ Prawer S，Nugent K W，Lifshitz Y，Lempert G D，Crossman E，Kulik J，Avigal I，Kalish R 1996 Diamond Relat.Mater.5 433

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［16］ Yin Y，McKenzie D R 1996 Thin Solid Films 280 95

［17］ Lfshitz Y，Lempert G D，Grossman E 1994 Rhys.Rev.Lett.72 2753

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［19］ Liu H，Tanaka A，Kumagai T 1999 Thin Soild Films 352 145

［20］ Zhou Z F，Li K Y，Bello I，Lee C S，Lee S T 2005 Wear 258 1589

PACS:68.55.－ a，62.20.Qp

Effect of magnetic filtering coil current on the tribology property of tetrahedral amorphous carbon films*

Han Liang1)2)Yang Li1)Yang Lamaocao1)Wang Yan-Wu1)Zhao Yu-Qing1)
1)(School of Electronic and Information Engineering，Xi'an JiaoTong University，Xi'an 710049，China)2)(School of Technical Physics，Xidian University，Xi'an 710071，China)(Received 17 October 2009;revised manuscript received 13 July 2010)

Tetrahedral amorphous carbon(ta-C)films are deposited on single crystalline silicon with filtered cathodic vacuum arc by changing the magnetic filtering coil current from 5 A to 13 A.Visible Raman measurements show that the content of the sp3hybridization decreases with magnetic filtering coil current increasing，and it deereased down to a minimum value as the coil currew increases up to 13 A.The surface morphology is investigated by atomic force microscope(AFM)，and the surface roughness(RMS)of the film increases with the current of magnetic filtering coil increasing from 0.13 to 0.38，The friction test indicates that the minimum of friction coefficient is about 0.08 when the magnetic filtering coil current is 5 A.The friction coefficient increases when the magnetic filtering coil current is 7A.But the friction coefficient decreases again down to 0.1 with magnetic filtering coil current inereasing from 7 A to 13 A.

tetrahedral amorphous carbon， filtered cathodic vacuum arc， magnetic filtering coil current， friction coefficient

*陜西省“13115”科技創新工程重大科技專項項目計劃(批準號:2009ZDKG-29)資助的課題.

E-mail:hlsdy@163.com

*Project supported by the Key Program of“13115”Science and Technology Originality Innovation Project of Shaanxi Province，China(Grant No.2009ZDKG-29).

E-mail:hlsdy@163.com