基片溫度對脈沖激光沉積CNx薄膜的組織結(jié)構(gòu)和摩擦學性能的影響
采用脈沖激光燒蝕氮化碳薄膜靶，在室溫至450℃基片溫度下制備了CNx薄膜。利用掃描電鏡、X射線衍射儀、X射線光電子譜儀和拉曼光譜儀等對薄膜的形貌、結(jié)晶性和結(jié)合鍵狀態(tài)進行了表征。采用球-盤式摩擦儀測試了薄膜在大氣中(相對濕度60%~62%)的摩擦磨損性能。結(jié)果表明：所得CNx薄膜均呈非晶狀態(tài)，表面形貌與基片溫度無關。隨著基片溫度的升高，薄膜含氮量由原子分數(shù)25.3%下降至21.2%，膜中sp3C-C鍵的含量增加且在300℃時達到最高，N-sp3C鍵的含量下降且在150℃ 時最高;拉曼譜中ID/IG比值上升，G峰藍移且半高寬下降，薄膜結(jié)構(gòu)有序度升高-石墨化程度增加; 薄膜的摩擦系數(shù)從0.23下降至0.13，磨損率從3.0× 10-15m3N-1m-1上升至9.3×10-15m3N-1m-1。
A. Y. Liu和M. L. Cohen等從理論上預言了beta-C3N4 晶體具有相當高的體彈性模量，甚至高于金剛石，是新一代的超硬材料。到目前為止，超硬氮化碳晶體的合成未獲得真正意義上的成功，但以非晶體形式存在的氮化碳(a-CNx)也表現(xiàn)出了良好的耐磨性能和固體潤滑效果。近年來，在一定條件下獲得的CNx 薄膜已經(jīng)嘗試替代類金剛石(DLC)膜，被應用于硬盤，讀寫磁頭以及半導體器件。
CNx薄膜的性能與其制備技術及工藝密切相關，在本質(zhì)上取決于薄膜的內(nèi)部構(gòu)造，如晶體類型、含氮量以及處于多種雜化狀態(tài)的C原子與N原子之間的價鍵狀態(tài)(形成sp2C-N、s3C-N和sp1C-N鍵)。隨著沉積技術的不斷發(fā)展，脈沖激光沉積(PLD)技術在制備碳基薄膜材料方面得到了長足的發(fā)展。已有研究表明，在PLD 過程中輔以射頻放電、選用含C-N 鍵的材料為靶材等手段改變PLD羽輝的化學環(huán)境，能夠改善CNx薄膜的含氮量和sp2C、sp3C雜化鍵的相對比例。作者在前期運用脈沖激光燒蝕CNx靶沉積CNx薄膜的工作中也觀察到薄膜含氮量的提升和價鍵結(jié)構(gòu)改變。本文在此基礎上開展了不同基片溫度下燒蝕CNx靶制備CNx薄膜試驗，采用X射線衍線(XRD)、X射線光電子譜(XPS)和Raman光譜等對CNx薄膜的微觀組織及價鍵結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)分析，并對所得薄膜的摩擦學特性進行評價，以闡明不同溫度條件下該類CNx薄膜的組織結(jié)構(gòu)、原子價鍵狀態(tài)和耐磨性能。
通過對不同基片溫度下CNx薄膜的成分、組織結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵狀態(tài)和摩擦學特性的分析，得到如下結(jié)論：
采用脈沖激光燒蝕CNx靶制備CNx可實現(xiàn)薄膜含氮量的提升，薄膜的沉積速率是傳統(tǒng)PLD的5~ 6倍。在室溫至450℃范圍內(nèi)，薄膜呈非晶態(tài)且表面形貌與基片溫度不相關。隨著基片溫度的升高，薄膜的含氮量降低，石墨化程度增加。最利于形成sp3C-C鍵和N-sp3C鍵的溫度分別是300℃和150℃。基片溫度越高，薄膜的摩擦系數(shù)越低，但耐磨性越差。
