专利名称：一种金属硫化物掺杂类金刚石复合薄膜的制备方法
技术领域：
本发明专利涉及的是一种复合薄膜技术领域的制备方法，具体是一种金属硫化物掺杂类金刚石复合薄膜的制备方法。
背景技术：
类金刚石碳(DLC)膜因兼具一系列优异的力学、化学和摩擦学特性等而受到广泛关注。然而，DLC薄膜通常具有较高的内应力且韧性较差、摩擦性能对环境湿度敏感性强，实际工作中的摩擦学应用受到了制约。对DLC薄膜进行元素掺杂，不仅能够有效降低其内应力，还可同时改善其他性能，如力学性能、热稳定性等。其中，通过金属掺杂行程的金属碳化物纳米晶分散于非晶碳骨架中，能够避免滑动过程中微裂纹的萌生和扩散，显著提高碳膜的韧性。而通过掺硫改性，则可以显著降低摩擦系数对环境湿度的敏感性，使其在相对较高湿度下仍能保持较低的摩擦系数。因此，研究者通过金属硫化物掺杂，综合发挥两者的作 用，对于克服DLC薄膜的不足，提高其摩擦学应用具有重要意义。专利CN 101550535A是利用射频溅射MoS2/WS2(质量比2 3)复合靶制备了 DLC复合薄膜° “Friction of self-lubrication ff-S-C sputtered coatings sliding underincreasing load”(Plasma processes and polymers)中涉及利用磁控灘射制备的具有较低摩擦系数的ws2/dlc复合薄膜的技术。但制备的复合薄膜中硫含量较低，远远低于金属硫化物中金属与硫的化学配比，对于改善金属硫化物/DLC复合薄膜的摩擦学性能不利。对于化学成分可控的金属硫化物/DLC复合薄膜的制备技术的研究，对于DLC膜才苛刻服役条件下的应用具有重要意义。
发明内容
为克服目前DLC薄膜应用中所面临的不足，本发明提供了一种金属硫化物掺杂类金刚石复合薄膜的制备方法，特征在于将离子束溅射与离子束辅助沉积技术结合起来，制备金属硫化物掺杂类金刚石复合薄膜，该方法依次包括以下步骤1、首先使用去离子水利用超声波清洗技术去除工件表面污染物；2、将工件置于真空室内样品台上，抽真空至本底真空后通入工质气体；3、利用离子源产生的惰性气体离子束分别对工件以及靶材表面进行离子束刻蚀清洗；4、开启开启溅射源与辅助源溅射沉积制备过渡层；5、在沉积的过渡层上利用双溅射源分别溅射石墨靶与金属硫化物复合靶沉积制备金属硫化物掺杂类金刚石复合薄膜；所述真空室本底真空优于2. OX 10_4Pa。所述工质气体可以为氩气(Ar)、氦气(He)、氖气(Ne)、氪气(Kr)中的任何一种气体或几种气体的混合气体，且在工质气体通入过程中真空室的压强不高于1. 5X10_2Pa。所述溅射离子源与辅助源均为Kaufman型离子源。
所述刻蚀清洗的过程中，溅射离子源清洗靶材表面，屏极电压根据靶材不同调整范围为2. O 3. 5KV，离子束流调整范围20 150mA ;辅助源溅射清洗工件表面，其屏极电压根据条件不同调整范围为O.1 1. 0KV，离子束流为20 150mA，束流刻蚀时间10 30mino所述过渡层为梯度过渡层，包括金属层金属碳化物成层两层。所述过渡层制备过程中，先在工件表面采用溅射源溅射金属靶材沉积金属过渡层，所用所用金属靶材可以为T1、Cr、Zr、W中的任何一种金属，溅射源屏极电压2. O 3. 0KV,离子束流为20 IOOmA ;辅助源屏极电压范围为O.1 1. 0KV,离子束流为20 IOOmA,沉积时间为10 15min。然后在制备的金属层上制备碳化物层，所用金属祀与金属层材料相同，石墨靶为纯度大于99. 7%的高纯度石墨靶，金属靶溅射源屏极电压2. O 2. 5KV，束流20 50mA ;石墨靶溅射源屏极电压2. 2 2. 7KV，束流20 IOOmA ;辅助源屏极电压范围为O.1 1. 0KV，离子束流为20 100mA，沉积时间为10 15min。制备的梯度 过渡层包括Ti/TiC、Cr/CrC, Zr/ZrC、W/WC梯度过渡层。所述复合薄膜制备过程中，石墨靶为纯度大于99. 7%的高纯度石墨靶；硫化物镶嵌靶为石墨与硫的镶嵌块镶嵌于金属硫化物基础靶材中构成，在溅射束斑范围内，镶嵌块均匀分布且基础靶材与镶嵌块均匀分布。其中基础靶材的材料可以为WS2、MoS2，FeS, ZnS,PbS, ZnS, CuS, Ag2S中的任何一种,镶嵌块由固体硫粉与石墨粉均勻混合压制而成,均勻分布在基础靶材镶嵌区。所述过渡层制备过程中溅射石墨靶的溅射源屏极电压为2. 2 3. 0KV,束流为20 IOOmA ;硫化物复合靶的溅射源屏极电压应低于石墨靶溅射源屏极电压，调整范围为
2.O 2. 7KV，束流为20 IOOmA ;辅助源屏极电压调整范围O. 2 1. 0KV,束流范围为20 100mA，沉积时间为60min 180min，沉积制备过程中，保证工件温度不高于150°C。本发明专利的优点是结合离子束刻蚀与离子束辅助沉积技术，利用离子束溅射获得原子级的清洁表面，利用离子束辅助沉积技术制备具有高膜基结合力梯度过渡层，且薄膜化学成分可控的高性能金属硫化物/DLC复合薄膜。实施方式下面结合具体实施例对本发明专利作进一步详细描述，但不作为对本发明专利的限定。实施例1首先使用去离子水利用超声波清洗技术去除硬质合金刀片表面污染层；将刀片固定于设备真空室内旋转样品台上，抽真空至2. OX 10_4Pa后通入Ar，真空室气压为1.2X 10_2Pa ;调整溅射源屏极电压为2. 7KV，束流为IOOmA刻蚀清洗靶材表面15min，然后调整辅助源屏极电压为O. 8KV，束流IOOmA清洗工件表面20min ;两靶工作靶面采用W，调节辅助源屏极电压为O. 2KV，束流25mA，调节溅射离子源屏极电压2. 5KV，束流为75mA溅射沉积Cr过渡层15min，然后将其中一个靶面调整为石墨靶，金属靶溅射源屏极电压2. 2KV，束流25mA，石墨靶溅射源屏极电压2. 5KV，束流75mA，辅助源参数不变。调整工作靶面为石墨靶和WS2复合靶，辅助源参数不变，石墨靶溅射离子源屏极电压2. 7KV，束流IOOmA，硫化物复合靶溅射离子源屏极电压2. 2KV，束流80mA，沉积制备WS2/DLC复合薄膜，沉积时间120min，待工件温度降至接近室温后取出，即在硬质合金刀片表面获得WS2/DLC复合薄膜。
实施例2首先使用去离子水利用超声波清洗技术去除不锈钢表面污染层；将样品固定于设备真空室内旋转样品台上，抽真空至2. OX 10_4Pa后通入He，真空室气压为1. 4X 10_2Pa ;调整溅射源屏极电压为2. 7KV，束流为IOOmA刻蚀清洗靶材表面15min，然后调整辅助源屏极电压为O. 8KV，束流IOOmA清洗工件表面20min ;两靶工作靶面采用Ti，调节辅助源屏极电压为O. 4KV，束流20mA，调节溅射离子源屏极电压2. 7KV，束流为80mA溅射沉积Ti过渡层15min，然后将其中一个靶面调整为石墨靶，金属靶溅射源屏极电压2. 0KV，束流30mA，石墨靶溅射源屏极电压2. 7KV，束流60mA，辅助源参数不变；调整工作靶面为石墨靶和MoS2复合靶，辅助源参数不变，石墨靶溅射离子源屏极电压2. 7KV，束流100mA，硫化物复合靶溅射离子源屏极电压2. 2KV，束流80mA，沉积制备MoS2/DLC复合薄膜， 沉积时间120min，待工件温度降至接近室温后取出，即在硬质合金刀片表面获得MoS2/DLC复合薄膜。
权利要求
1.一种金属硫化物掺杂类金刚石复合薄膜的制备方法，特征在于将离子束刻蚀与离子束辅助沉积技术结合起来，制备金属硫化物掺杂类金刚石复合薄膜，该方法依次包括以下步骤 a、首先使用去离子水利用超声波清洗技术去除工件表面污染物； b、将工件置于真空室内样品台上,抽真空至本底真空后通入工质气体； C、利用离子源产生的惰性气体离子束分别对工件以及靶材表面进行离子束刻蚀清洗； d、开启开启溅射源与辅助源溅射沉积制备过渡层； e、在沉积的过渡层上利用双溅射源分别溅射石墨靶与金属硫化物复合靶沉积制备金属硫化物掺杂类金刚石复合薄膜；
2.按照权利I所述的金属硫化物掺杂类金刚石复合薄膜的制备方法，其特征在于所述真空室本底真空优于2. OX 10_4Pa，工质气体可以为氩气(Ar)、氦气(He)、氖气(Ne)、氪气(Kr)中的任何一种气体或几种气体的混合气体，且在工质气体通入过程中真空室的压强不高于1. 5 X IO^2Pa0
3.按照权利I所述的金属硫化物掺杂类金刚石复合薄膜的制备方法，其特征在于所述溅射离子源与辅助源均为Kaufman型离子源，在刻蚀清洗的过程中，溅射离子源清洗靶材表面，屏极电压根据靶材不同调整范围为2. 0 3. 5KV，离子束流调整范围20 150mA ;辅助源溅射清洗工件表面，其屏极电压根据条件不同调整范围为0.1 1.0KV，离子束流为20 150mA，束流刻蚀时间10 30min。
4.按照权利I所述的金属硫化物掺杂类金刚石复合薄膜的制备方法，其特征在于所述过渡层为梯度过渡层，包括金属层金属碳化物成层两层。
5.按照权利I所述的金属硫化物掺杂类金刚石复合薄膜的制备方法，其特征在于所述过渡层制备过程中，先在工件表面采用溅射源溅射金属靶材沉积金属过渡层，所用所用金属靶材可以为T1、Cr、Zr、W中的任何一种金属，溅射源屏极电压2. 0 3. 0KV，离子束流为20 IOOmA ;辅助源屏极电压范围为0.1 1. 0KV，离子束流为20 100mA，沉积时间为10 15min。然后在制备的金属层上制备碳化物层,所用金属祀与金属层材料相同,石墨革巴为纯度大于99. 7 %的高纯度石墨靶，金属靶溅射源屏极电压2. 0 2. 5KV，束流20 50mA ；石墨靶溅射源屏极电压2. 2 2. 7KV，束流20 IOOmA ;辅助源屏极电压范围为0.1 1.0KV，离子束流为20 100mA，沉积时间为10 15min。制备的梯度过渡层包括Ti/TiC、Cr/CrC, Zr/ZrC、ff/WC 梯度过渡层。
6.按照权利I所述的金属硫化物掺杂类金刚石复合薄膜的制备方法，其特征在于所述复合薄膜制备过程中，石墨靶为纯度大于99. 7%的高纯度石墨靶；硫化物镶嵌靶为石墨与硫的镶嵌块镶嵌于金属硫化物基础靶材中构成，在溅射束斑范围内，镶嵌块均匀分布且基础靶材与镶嵌块均匀分布。其中基础靶材的材料可以为WS2、MoS2，FeS, ZnS, PbS, ZnS, CuS,Ag2S中的任何一种，镶嵌块由固体硫粉与石墨粉均匀混合压制而成，均匀分布在基础靶材镶嵌区。
7.按照权利I所述的金属硫化物掺杂类金刚石复合薄膜的制备方法，其特征在于所述过渡层制备过程中溅射石墨靶的溅射源屏极电压为2. 2 3. 0KV，束流为20 IOOmA ;硫化物复合靶的溅射源屏极电压应低于石墨靶溅射源屏极电压，调整范围为2. 0 2. 7KV，束流为20 IOOmA ;辅助源屏极电压调整范围0. 2 1. 0KV，束流范围为20 100mA，沉积时间 为60min 180min，沉积制备过程中，保证工件温度不高于150°C。
全文摘要
一种金属硫化物掺杂类金刚石复合薄膜的制备方法，特征是利用惰性气体离子束同时溅射含硫复合靶与石墨靶，同时离子束辅助轰击工件表面沉积制备金属硫化物掺杂类金刚石薄膜。具体实施步骤为首先使用去离子水超声波清洗工件表面，利用惰性气体离子束对材料及靶材表面进行溅射清洗，然后利用溅射离子束溅射制备金属过渡层，再在过渡层上制备金属硫化物掺杂类金刚石复合薄膜。本发明制备的薄膜在力学与摩擦学性能上相对其他方法制备的薄膜有很大的提高，并且具有制备工艺简单，重复性好等优点。
文档编号C23C14/34GK102994964SQ20121051991
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者岳 文, 王松, 付志强, 王成彪, 于翔, 彭志坚 申请人:中国地质大学(北京)