具有类金刚石涂层的材料及其制备方法与流程

本发明涉及薄膜材料领域，尤其涉及一种用于手机、平板等触控屏幕的具有类金刚石涂层的材料及其制备方法。

背景技术：

手机，平板等设备的触控屏幕本身材质(例如玻璃)硬度偏低，在日常的使用和携带过程中，很容易被环境中的沙砾或钥匙等硬质物刮伤磨损，从而留下划痕甚至失效。此外，在频繁的触控使用中，使用者皮肤上的油脂和指纹很容易残留在触控屏表面上，影响屏幕的视觉清晰度和画面效果。

目前，在触控屏幕表面覆盖一层类金刚石(Diamond-like Carbon，DLC)膜来提高硬度、防刮耐磨或疏水疏油的技术已有应用。

例如，美国专利No.5,637,353公开了一种在玻璃基材表面沉积DLC膜的方法，其使用化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD)方法制备的DLC膜具有较好的耐磨性，然而，疏水性一般，此外，由于膜较厚也影响了透光率。美国专利No.6,280,834公开了一种在汽车玻璃基材表面使用离子束沉积-化学气相沉积法(Ion Beam Deposition,Chemical Vapor Deposition,IBD-CVD)法制备DLC膜的方法，其使用C₂H₂气体作为离子源，使用IBD方法沉积DLC，制备的DLC膜含有较多的氢，获得的高硬度SP³键的四面体非晶碳膜(ta-C)结构比例不高，硬度只有10-30Gpa，不能起到很好的防刮耐磨性。中国公开专利申请CN 102529214A公开了一种于某一基材(玻璃，陶瓷等)表面沉积DLC膜的方法，其通过CVD方法在基材表面沉积形成DLC膜，并在DLC膜表面掺杂有含氟材料，其制备的DLC膜具有较好的疏水性。然而，由于制备的DLC掺杂有氢，形成H-C键，获得的高硬度四面体非晶碳膜(ta-C)结构比例不高， 硬度也只有5Gpa左右，防刮耐磨性能较差。若为了提高耐磨性能则需要增加DLC的厚度，但DLC厚度的增加会导致透光率的下降。

因此，目前采用传统方法制备的DLC膜，很难同时满足良好的膜基结合力、高硬度防刮耐磨、疏水疏油性以及高的透光率等特性要求，特别是采用CVD方法制备的DLC膜掺杂有氢，因此其硬度以及防刮耐磨性难以提高。

因此，亟待一种改进的具有类金刚石涂层的材料及其制备方法，以克服上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种具有类金刚石涂层的材料，其具有良好的膜基结合力、高硬度防刮耐磨性、疏水疏油性以及高透光率，且DLC层不含氢。

本发明的另一目的在于提供一种具有类金刚石涂层的材料的制备方法，其采用过滤阴极真空电弧法制备的DLC层，该具有类金刚石涂层的材料具有良好的膜基结合力、高硬度防刮耐磨性、疏水疏油性以及高透光率。

为达到以上目的，本发明提供一种具有类金刚石涂层的材料，包括：

一基材；

形成在所述基材上的一过渡层；

形成在所述过渡层上的不含氢的一类金刚石层；以及

形成在所述类金刚石层表面上的一含氟层。

较佳地，所述过渡层包括以下一种或多种物质：硅(Si)、氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)；以及钛(Ti)、铬(Cr)、铜(Cu)及其金属氧化物。

较佳地，所述过渡层的厚度范围为所述类金刚石层的厚度范围为

较佳地，所述基材包括以下一种或多种物质：玻璃、强化玻璃、蓝宝石、陶瓷、聚合物、金属或金属氧化物。

相应地，本发明提供一种具有类金刚石涂层的材料的制备方法，包括：

提供一基材；

在所述基材上采用磁控溅射沉积法沉积形成一过渡层；

在所述过渡层上采用过滤阴极真空电弧法沉积形成一不含氢的类金刚石层；以及

在所述类金刚石层上掺杂一含氟层。

较佳地，在所述过渡层上采用过滤阴极真空电弧法沉积形成一不含氢的类金刚石层步骤中还包括：在沉积过程以预定速度旋转基材；以及在阳极施加范围在-50V到-100V之间的偏压。

较佳地，在所述类金刚石层上掺杂一含氟层步骤具体包括：采用射频化学气相沉积法掺杂所述含氟层。

较佳地，采用射频化学气相沉积法掺杂所述含氟层步骤具体包括：采用四氟化碳(CF₄)为掺杂气体，流量范围为60sccm～100sccm，掺杂时间为10min～20min。

较佳地，在所述基材上采用磁控溅射沉积法沉积形成一过渡层步骤之前还包括：采用离子束刻蚀法清洗所述基材。

较佳地，在采用离子束刻蚀法清洗所述基材之前，还包括利用超声波预清洗所述基材。

较佳地，所述过渡层包括以下一种或多种物质：硅(Si)、氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)；以及钛(Ti)、铬(Cr)、铜(Cu)及其金属氧化物。

较佳地，所述过渡层的厚度范围为所述类金刚石层的厚度范围为

与现有技术相比，本发明采用磁控溅射沉积法在基材上沉积形成过渡层，该过渡层覆盖均匀致密，从而提高膜基结合力；采用过滤阴极真空电弧法沉积形成不含氢的DLC层，该DLC层SP³键含量高，具有高硬度以及良好的防刮耐磨性；在DLC层上掺杂含氟层，从而使得DLC复合膜具有良好的疏水疏油性，具有更大的水接触角和油接触角；而且本发明的基材上的DLC层体薄，透光率大于90％。

说明书附图

图1为本发明的具有类金刚石涂层的材料的一个实施例的结构示意图。

图2为本发明的具有类金刚石涂层的材料的制备方法的一个实施例的流程图。

图3为本发明的具有类金刚石涂层的材料的制备方法的另一实施例的流程图。

图4为本发明的具有类金刚石涂层的材料的一个实施例的耐磨性测试数据。

图5为本发明的具有类金刚石涂层的材料的一个实施例的水接触角测试数据。

图6为本发明的具有类金刚石涂层的材料的一个实施例的油接触角测试数据。

具体实施方式

如上所述，本发明的实质在于提供一种具有类金刚石涂层的材料及其制备方法，其采用过滤阴极真空电弧(Filtered Cathodic Vacuum Arc，FCVA)沉积法制备的DLC层，该具有类金刚石涂层的材料具有良好的膜基结合力、高硬度防刮耐磨性、疏水疏油性以及高透光率。

如图1所示，本发明的具有类金刚石涂层的材料100的一个实施例包括：基材110，形成在基材110上的过渡层120；形成在过渡层120上的不含氢的DLC层130；以及形成在DLC层130表面上的含氟层140。

下面将结合图2及图3说明本发明具有类金刚石涂层的材料100的制备方法。

如图2所示，本发明具有类金刚石涂层的材料100的制备方法的一个实施例包括以下步骤：

201,提供基材。具体地，该基材材料主要是指触控屏幕介质，例如，玻璃，钢化玻璃，蓝宝石等，但并不限于此。

202，采用磁控溅射沉积(Magnetron Sputter Deposition，MSD)法沉积过渡层。具体地，该过渡层包括以下一种或多种物质：硅(Si)、氧化硅(SiO₂)、氮化硅(SiN)；以及钛(Ti)、铬(Cr)、铜(Cu)及其金属氧化物。

203，FCVA法沉积DLC层。具体地，使用FCVA法沉积DLC层，利用磁 场过滤掉杂质离子和大颗粒，可获得均匀致密的覆盖层，且含有70％以上的SP³键的四面体非晶碳膜(ta-C)结构，从而具有极高的硬度，良好的防刮耐磨性能。

204，采用射频化学气相沉积法(Radio Frequency Chemical Vapor Deposition，RFCVD)掺杂含氟层。

本发明MSD法在基材上沉积形成过渡层，该过渡层覆盖均匀致密，从而提高膜基结合力；采用FCVA法沉积形成不含氢的DLC层，该DLC层由于不含氢，不会形成H-C键，因此获得高硬度SP3键的四面体非晶碳膜(ta-C)结构比例高，从而具有高硬度以及良好的防刮耐磨性；在DLC层上掺杂含氟层，从而使得DLC复合膜具有良好的疏水疏油性，具有更大的水接触角和油接触角；而且本发明的基材上的DLC层体薄，透光率大于90％。

图3展示了本发明具有类金刚石涂层的材料100的制备方法的一个优选实施例的流程图。具体包括以下步骤：

301，预清洗基材。在本步骤中，利用超声波清洗基材，清洗溶剂为氮甲基吡咯烷酮(NMP)和异丙醇(IPA)，清洗时间约为30分钟，超声波清洗后放入密封盒自然干燥，时间为一小时。该基材可为玻璃、钢化玻璃、蓝宝石等。

302，清洗基材。在本步骤中，采用离子束刻蚀(Ion Beam Etching，IBE)法清洗基材以使基材表面更加干净从而便于后续的沉积工序。具体地，在氩气气氛下，利用产生的等离子体刻蚀基材表面以达到清洗的目的，其中氩(Ar)离子束的入射角度为30°，衬底的转速为20r/s，刻蚀速率约为为佳。

303，MSD法沉积过渡层。在本步骤中，过渡层可包括以下一种或多种物质：硅(Si)、氧化硅(SiO₂)、氮化硅(SiN)；以及钛(Ti)、铬(Cr)、铜(Cu)及其金属氧化物。本实施例中以采用Si作为过渡层材料为例进行说明。靶材为高纯度Si，过渡层厚度为例如首先需溅射Si靶100s，使产生的Si离子束稳定，Si的沉积速率约为为佳。本步骤中在基材表面沉积Si过渡层覆盖均匀、致密，可提高后续沉积的DLC层与基材之间的结合力。

304，FCVA法沉积DLC层。在本步骤中，采用FCVA法进行沉积，靶材为高纯度的石墨，沉积过程中旋转基材以得到均匀致密的膜层。更佳地，为了获得更多的SP³键含量，以提高DLC膜的硬度，可在阳极施加一偏压，偏压范围 从-50V到-100V。由于本发明中使用FCVA法沉积DLC膜，利用磁场过滤掉杂质离子和大颗粒，因此可获得均匀致密的覆盖层。且相较传统的化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD)或物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition，PVD)的形成DLC层的方法，本发明采用FCVA法形成的DLC层不含氢，不会形成H-C键，从而获得70％以上的SP³键的四面体非晶碳膜(ta-C)结构，因此具有极高的硬度以及良好的防刮耐磨性能。

此外，可通过控制Si过渡层和DLC膜的厚度来调节光的透过率和反射率，来满足各种触控屏对光学的要求。本实施中，DLC层的厚度小于例如对于触控屏幕，要求至少有90％以上的光线透过DLC层而穿透至基材。

305，RFCVD法掺杂含氟层。为提高膜层的疏水疏油性能，本步骤中采用RFCVD法在DLC层的界面上掺杂一含氟层。具体地，掺杂气体选用CF₄，流量为60sccm～100sccm，例如为80sccm，掺杂时间为10min～20min，例如为15min。该含氟层的厚度范围为氟含量约为10％的原子比为佳。由于在DLC层的表面上掺杂氟离子，从而在DLC层上形成碳-氟(C-F)键，该C-F键是很强的化学键，具有良好的疏水性。

图4～6分别是本发明的具有类金刚石涂层的材料的一个实施例的耐磨性测试数据、水接触角测试数据以及油接触角测试数据，本实施例中，基材为带图案的蓝宝石。由于蓝宝石自身硬度很高，而光学反射率较低，从基材到达使用者肉眼的光线不足，在沉积DLC层后，可提高光学反射率，从而改善了使用者的舒适度。所获得的DLC复合膜硬度高达70GPa以上(用纳米压痕(Nano-indention)方法测得)，图4表明具有DLC层的带图案的蓝宝石的防刮耐磨性明显优于石英，图5和图6表明具有DLC层的带图案的蓝宝石具有很大的接触角和疏水疏油性，其中水接触角(WCA)为107度，油接触角(OCA)为79度。

综上所述，本发明采用MSD法在基材上沉积形成过渡层，该过渡层覆盖均匀致密，从而提高膜基结合力；采用FCVA法沉积形成不含氢的DLC层，该DLC层SP³含量高，具有高硬度以及良好的防刮耐磨性；在DLC层上通过 RFCVD法掺杂含氟层，从而使得DLC复合膜具有良好的疏水疏油性，具有更大的水接触角和油接触角；而且本发明的基材上的DLC层体薄，透光率大于90％。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。