低氮掺杂对含氢类金刚石结构和力学性能的影响

作者：杨满中; 彭继华^*; 韦宇冲

来源：哈尔滨工业大学学报, 2019, 51(05): 38-43.

• 掺氮类金刚石薄膜
• PECVD
• 碳氮键
• 3含量" name="keyword">sp3含量
• 硬度
• 残余应力

为探讨低氮掺杂对含氢类金刚石组织结构和力学性能的影响.采用非平衡磁控溅射和等离子增强化学气相沉积(PECVD)复合技术,在316不锈钢和硅片上制备碳化钨过渡层和不同掺氮量的含氢类金刚石薄膜(a-C:H(N)).通过拉曼光谱、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电镜(SEM)对薄膜组织结构进行表征,薄膜的硬度和残余应力采用微纳米力学综合测量系统和薄膜应力测量仪进行表征.结果表明随着氮掺杂,薄膜形成碳氮键(CN)且其主要以C=N键形式存在,C=N/CN的比值随着薄膜氮含量增加逐渐下降.同时当掺氮量从0增至0.12 at%时,薄膜ID/IG比值迅速下降,sp2C=C/sp3C-C比值由0.65降至0.563,而薄膜硬度基本不变,约为20.4 GPa,残余应力则由3.35 Gpa降至1.31 GPa;随着掺氮量进一步增加,sp2C=C/sp3C-C比值增加,薄膜硬度迅速下降,残余应力则缓慢降低.可知氮的掺杂对DLC薄膜结构的影响有临界值0.12 at%,当掺氮量低于该值时,氮掺杂促进sp3杂化的形成,薄膜具有较高的sp3杂化含量.而随着薄膜含氮量进一步增加,sp3杂化含量下降.同时当低氮掺杂时,可获得具有较高硬度以及较低残余应力的薄膜.

• 单位
  华南理工大学