大气环境下超滑纳米晶-非晶碳薄膜的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种大气环境下超滑纳米晶?非晶碳薄膜的制备方法，该制备方法包括以下步骤：将预清洁后的硅片放入丙酮、乙醇中超声清洗，然后转移至等离子体增强化学气相沉积设备的真空腔下部基底盘上，基底盘与负偏压电源相连；抽真空直到小于1.0×10?3帕；通入氩气，在直流偏压500~800 V条件下进行等离子体清洗，用以除去表面残留的杂质和污染物；通入甲烷和氮气，在直流偏压780~820 V条件下镀膜20~40分钟；通入甲烷和氢气，在直流偏压为780~820V条件下镀膜90~120分钟。本发明所获得的薄膜呈现了纳米晶?非晶特征，具有较高的硬度和弹性，以及优异的摩擦学性能（摩擦系数可持续维持在0.005左右，磨损率达到了~10?17m3/N/m级别）。
【专利说明】
大气环境下超滑纳米晶-非晶碳薄膜的制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种在大气环境下表现出超滑行为的纳米晶-非晶碳薄膜的制备方法。
【背景技术】
[0002]摩擦和磨损是机械系统中导致能量耗散与相互运动部件失效的主要方式之一。据估计，由摩擦造成的能量消耗约占全球能量资源的三分之一，同时约有60%的机械材料损失归结于磨损。设计具有超低摩擦系数与磨损的机械系统和建立超滑体系对最大程度地节约能源、减少机械系统中有害物质对大气环境的排放具有划时代的意义，必将产生革命性的经济和社会效益。到目前为止，超滑的实现主要集中在一些与层状材料相关的实验中，如二硫化钼(MoS2)、高定向热解石墨(HOPG)和多壁碳纳米管(MWCNT)，这些超滑主要归因于两个在纳米或微米尺度晶面之间的非公度接触，需要高真空和超高清洁的环境。在宏观尺度上，结构缺陷和畸变是材料表现出超滑特性难以越过的鸿沟。因此，探索宏观超滑体系成为了科技人员研究的热点课题之一。
[0003]目前，最有希望能够实现宏观超滑行为的典型材料是含氢类金刚石薄膜(diamond-like carbon,DLC)。由于其光滑表面的悬键被氢饱和、钝化，滑移表面间无化学物理相互作用，其在真空和特殊气氛下均可表现出超滑行为。但其内应力高、摩擦性能受环境影响较大限制了其工程应用，尤其是在较大接触应力和大气环境下难以实现超滑。因此，需发展一些新的技术与方法来强化碳薄膜的机械性能与其在大气环境下的摩擦学性能，使其在工程应用方面也能表现出超滑特性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种大气环境下超滑纳米晶-非晶碳薄膜的制备方法。
[0005]本发明采用等离子体增强化学气相沉积技术在非晶碳网格中引入了纳米金刚石颗粒(小于10 nm)，从而释放薄膜的内应力、强化薄膜的机械性能，同时镶嵌在非晶碳网络中的纳米颗粒可以促进洋葱碳结构(类富勒烯结构)转移膜在摩擦界面的形成，从而赋予薄膜超滑行为。基于这一思路，我们制备出了一种与常规类金刚石碳薄膜结构不同的纳米晶_非晶碳薄膜。该薄膜表现出了较高的硬度(?18.94GPa)、弹性恢复系数(?84%)和在大气环境下超低的摩擦系数(?0.005)与磨损(?10—17m3/N/m)。该方法具有气相沉积系统工艺成熟、设备简单、沉积温度低、成膜均匀、重复性好等特点。这极大地扩宽了碳基薄膜潜在的应用前景，为碳基薄膜的应用提供了一种新的可能，必将推动机械零部件与装备的技术革新，有利于我国构建能源节约型、环境友好型社会。
[0006]大气环境下超滑纳米晶-非晶碳薄膜的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤:
I)将预清洁后的硅片放入丙酮、乙醇中超声清洗，然后转移至等离子体增强化学气相沉积设备的真空腔下部基底盘上，基底盘与负偏压电源相连； 2)抽真空直到小于I.0 X 10-3帕;
3)通入氩气，在直流偏压500?800V条件下进行等离子体清洗，用以除去表面残留的杂质和污染物；
4)通入甲烷和氮气，在直流偏压780?820V条件下镀膜20?40分钟;通入甲烷和氢气，在直流偏压为780?820V条件下镀膜90?120分钟。
[0007]所述电源为直流电源。
[0008]所述甲烷和氮气的流量比为0.8:1.0-1.2:1.0;所述甲烷和氢气的流量比为1:1.8?1:2.2。
[0009]本发明所获得的薄膜具有纳米晶-非晶特征，即薄膜中含有金刚石纳米颗粒(小于1nm);该种薄膜具有较高的硬度和弹性，其纳米硬度为18.94 GPa，弹性恢复系数为84%;所获得的纳米晶-非晶碳薄膜具有优异的摩擦学性能，在空气中(相对湿度为20%)和接触应力达到2.89GPa时，摩擦系数可持续维持在0.005左右。
[0010]本发明的制备方法简单易行，将甲烷和氢气气体引入真空腔中，在直流电源的诱导下产生离化，使之产生具有电子、离子、自由基等各种基团的等离子体气氛，其中带正电的各种含碳基团(CH3+，CH2+等)在负偏压的作用下做加速运动，并在基底上沉积形成薄膜。
[0011]对本发明中所制备薄膜进行了红外光谱(FTIR)、x-射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)等表征。结果表明，该薄膜为含有金刚石纳米颗粒的碳氢薄膜，具有纳米晶-非晶结构特征。
【附图说明】
[0012]图1: (A)纳米晶-非晶碳膜的高分辨透射电镜图(HRTEM) ; (B)纳米晶-非晶碳膜和非晶碳膜的XRD数据图。
[0013]图2:(A)纳米晶-非晶薄膜(FTIR)红外光谱图；(B)纳米晶-非晶碳膜和非晶碳膜的Cls结合能谱图。
【具体实施方式】
[0014]为了更好的理解本发明，通过实例进行说明。
[0015]实施例1
首先选择表面光洁的硅片三片，将其放入丙酮、乙醇中超声清洗，取出硅片，用洗耳球吹干后将其迅速转入等离子体增强化学气相沉积设备的真空腔里，放置在基底盘上，开始抽真空。待真空抽到小于1.0 X 10—3帕时，通入氩气，调整气压为6.0帕，在直流电压800伏特的情况下，进行等离子体清洗。清洗完成后，通入甲烷和氮气(流量比为1.0)，在直流偏压800伏特的条件下沉积薄膜，沉积时间为0.5小时;通入甲烷和氢气(流量比为1.0:2.0)，在直流偏压800伏特的条件下沉积薄膜，沉积时间为1.5小时。
[0016]实施例2
FTIR光谱图中在2800 cm—1NSOOO cm—1范围内出现甲基和亚甲基的特征振动吸收峰，表明得到的类金刚石碳膜是含氢的。X射线光电子能谱分析发现薄膜Cls的结合能要明显高于常规的类金刚石薄膜，表明薄膜中的SP3碳含量较高。往复摩擦实验结果表明薄膜具有优异的摩擦学特性，空气中(相对湿度为20%)，接触应力为2.89 GPa时，其摩擦系数可持续维持在0.005左右。
【主权项】
1.大气环境下超滑纳米晶-非晶碳薄膜的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤: 1)将预清洁后的硅片放入丙酮、乙醇中超声清洗，然后转移至等离子体增强化学气相沉积设备的真空腔下部基底盘上，基底盘与负偏压电源相连； 2)抽真空直到小于1.0 X 10-3帕; 3)通入氩气，在直流偏压500?800V条件下进行等离子体清洗； 4)通入甲烷和氮气，在直流偏压780?820V条件下镀膜20?40分钟;通入甲烷和氢气，在直流偏压为780?820V条件下镀膜90?120分钟。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述电源为直流电源。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述甲烷和氮气的流量比为0.8:1.0?.1.2:1.0;所述甲烷和氢气的流量比为1:1.8?1:2.2。
【文档编号】C23C16/503GK106011794SQ201610371967
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】张俊彦, 曹忠跃, 强力, 张斌
【申请人】中国科学院兰州化学物理研究所