金属掺杂类金刚石薄膜的微结构与应力演变机制研究

高残余应力直接影响到薄膜材料的实际应用，这在信息、航空航天等高技术领域用DLC薄膜中尤为突出。目前，金属掺杂被认为是降低DLC膜高应力的理想方法之一。但因多数研究中高含量金属掺杂常导致薄膜微结构与碳键态的复杂多变，且其随掺杂组元、含量和工艺不同而不同，有关金属掺杂DLC薄膜的微结构与应力演变机制尚不清楚。本研究拟采用易于实现高硬度本征DLC生长和金属掺杂的线性离子束复合溅射方法，选择可比对性的碳化物相类掺杂金属元素（Cr、Ti、W），制备微量到高含量的Me-DLC薄膜，系统研究掺杂金属组元、含量对力学性能和sp2/sp3碳键态、掺杂纳米相分布、尺寸等微结构行为的影响，并根据第一性原理计算的电荷分布、局域态密度等电子结构深入研究，揭示Me-DLC薄膜中微结构演变对力学性能的作用规律，侧重阐明微量金属掺杂下应力降低的物理机制，为制备高技术领域用高硬度、低应力Me-DLC薄膜提供理论方法。

课题研究按照工作计划进行，采用复合离子束技术，实现了微量到高含量的Me-DLC薄膜的可控制备，研究了不同掺杂金属和含量对DLC薄膜结构与性能的影响，并结合理论计算，重点阐明了金属掺杂导致应力降低的物理机制，良好完成任务要求的各项指标。所取得的成果主要体现在以下几方面：.（1）采用离子束复合磁控溅射沉积技术，调控离子源功率、气源成分和溅射功率、偏压等，实现了微量到高含量连续可控的Me-DLC薄膜的高质量可控制备；.（2）揭示了微量到高含量金属掺杂DLC 膜中微结构演变对力学性能的作用规律：少量金属（Cr、Ti、W）掺入到DLC膜中，主要固溶于无定形碳网络中，起到一种能量释放的关键“枢纽”作用，可大幅降低薄膜内的高残余应力；同时，由于固溶在薄膜中的金属原子对碳结构影响较小，硬度和弹性模量保持良好；薄膜具有与纯DLC薄膜类似的摩擦特性，摩擦系数和磨损率低。当金属掺杂含量超过其各自在所制备的DLC碳结构中的固溶度时（Cr≥8.42at.%，Ti≥12.87at.%，W>4.38at.%），与C结合形成纳米尺寸的硬质碳化物颗粒相并长大、增多，引起薄膜局部无序度增大，导致残余应力上升；因硬质碳化物相对硬度的补偿作用，硬度略有上升。弱碳化合物相形成元素Cu在掺杂量达一定值时（Cu≥1.93at.%）则从DLC膜碳网络中析出，形成金属纳米团簇结构并镶嵌在碳矩阵中，进而起不到降低应力的作用；Al掺入到DLC薄膜中主要以氧化态的形式弥散固溶在碳结构中，且随着掺杂量的增加，从碳矩阵中形成纳米团簇析出，导致应力单调降低。.（3）通过理论计算，从电子结构尺度阐明金属掺杂导致应力降低的物理机制，为实验结果提供了很好的解释和补充：Cr、Ti、W和C原子之间的成键特征分别为nonbonding、bonding和nonbonding；Cu、Al和C原子之间的成键特征为antibonding和离子键。Me与C原子之间电负性差的存在，使得键中存在离子部分贡献，降低了键的方向性和体系总能对键角畸变的敏感度；另一方面成键特征的变化影响了键的强度。因此，键的强度和方向性的降低导致键角畸变时较小的能量变化，从而导致应力的降低。.（4）项目完成后，发表期刊论文10篇，其中SCI源9篇；申报发明专利5项；培养青年科技骨干和研究生6名；参加国内、国际学术会议13次，举办国内学术会议、研讨会等3次。

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