本发明涉及薄膜技术领域，特别涉及一种类金刚石薄膜及其制备方法。
背景技术：
金刚石中的碳原子以sp3杂化键的形式结合，石墨中的碳原子以sp2杂化键的形式结合，而类金刚石薄膜(简称dlc薄膜)是由金刚石结构的sp3杂化碳原子和石墨结构的sp2杂化碳原子相互混杂形成的三维网络构成，是一种亚稳态非晶材料。类金刚石薄膜具有高硬度、低摩擦系数、高热导率、低介电常数、宽带隙、良好光透光率、耐磨耐蚀及良好的生物相容性等特点，在航空航天、机械、电子、光学、装饰外观保护、生物医学等领域有广阔的应用前景。
类金刚石薄膜一般分为含氢碳膜(a-c:h)和不含氢碳膜(a-c)两类，其中，含氢碳膜掺氢后碳膜氢化，使薄膜具有优异的透明度，可运用于对透明度及光学特性要求有特殊要求的产品，如手机前后盖板、手表盖板、摄像头镜片等。但是，相比于不含氢的dlc薄膜，掺氢后的dlc薄膜的硬度和耐磨性有所下降，不能同时兼具良好的光学特性和硬度耐磨的机械性能，难以适用于对光学特性和机械性能均有要求的器件。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种类金刚石薄膜及其制备方法，按照本发明的制备方法制得的类金刚石薄膜在满足光学特性的基础上，还具有良好的硬度和耐磨性。
本发明提供了一种类金刚石薄膜的制备方法，包括：
将石墨靶材在混合气体环境中进行磁控溅射，在衬底上沉积得到类金刚石薄膜；
所述混合气体为氩气、氢气和氮气。
优选的，氩气流量为20～50sccm，氢气流量为10～20sccm，氮气流量为1～10sccm。
优选的，所述混合气体中，氩气、氢气和氮气的体积比为2：(1～2)：(0.1～0.3)。
优选的，所述混合气体的气压为1～8mtorr。
优选的，所述磁控溅射的工作电压为400～700v。
优选的，所述磁控溅射的功率为4～9kw。
优选的，将石墨靶材在混合气体环境中进行磁控溅射前，还包括将溅射室抽真空。
优选的，所述真空的真空度为2×10-6～8×10-6mtorr。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制得的类金刚石薄膜。
优选的，所述类金刚石薄膜的厚度为2～4nm。
本发明提供了一种类金刚石薄膜的制备方法，将石墨靶材在混合气体环境中进行磁控溅射，在衬底上沉积得到类金刚石薄膜；所述混合气体为氩气、氢气和氮气。按照本发明的制备方法制得的类金刚石薄膜不仅具有良好的光学特性，同时还具有良好的硬度和耐磨性，能够适用于对光学和机械性能均有要求的器件。
具体实施方式
本发明提供了一种类金刚石薄膜的制备方法，包括：
将石墨靶材在混合气体环境中进行磁控溅射，在衬底上沉积得到类金刚石薄膜；
所述混合气体为氩气、氢气和氮气。
磁控溅射的基本原理如下：利用电场加速从阴极发出的电子，电子获得足够动能，将工作气体原子电离成等离子体，等离子体中的正离子在靶阴极电场作用下飞向靶材，靶材表面溅射出离子、原子、原子团等，这些物质沉积到衬底/基片上，形成薄膜。
本发明中，在进行磁控溅射前，优选先对衬底或基片进行清洗，去除表面油污和灰尘后，再置于溅射室内。本发明中，所用衬底或基片的种类没有特殊限制，为常规的需要镀dlc薄膜的物件即可，比如可以为玻璃、陶瓷或金属等。
本发明中，选用石墨靶作为磁控溅射的靶材。本发明中，石墨靶材优选为纯度为99.999％以上的高纯石墨靶。
本发明中，衬底与靶材之间的距离没有特殊限制，按照本领域中常规溅射距离即可，如可以为5～15cm。
本发明中，在进行磁控溅射前，优选先将溅射室内抽真空。本发明中，所述真空的真空度优选为2×10-6～8×10-6mtorr。
将溅射室内抽真空后，通入气体，在混合气体的环境中进行磁控溅射。本发明中，采用氩气、氢气和氮气作为混合气体，提供气体溅射环境，其中，氩气为工作气体，氢气和氮气为反应气体。本发明中，氩气流量优选为20～50sccm，更优选为30～40sccm。氢气流量优选为10～20sccm，更优选为15sccm。氮气流量优选为1～10sccm，更优选为2～5sccm。本发明中，所述混合气体中，氩气、氢气和氮气的体积比优选为2：(1～2)：(0.1～0.3)，更优选为2:1:0.1，控制混合气体中各种气体在此比例范围内有利于获得兼具良好光学和硬度、耐磨性的薄膜产品，若低于上述范围或超出上述范围，易导致薄膜性能下降，难以平衡光学和硬度、耐磨性。
本发明中，磁控溅射过程中，优选控混合气体的整体气压为1～8mtorr，若气压低于此范围，在本申请的气体环境下磁控溅射时靶材溅射效率低，膜层缺陷增多，薄膜质量和性能下降，若超出上述范围，则溅射不充分，使薄膜质量变差。
本发明中，优选控制磁控溅射的工作电压为400～700v，若低于此范围，在本申请的气体环境下磁控溅射时，靶材溅射效率低，成膜速率下降；若超出此范围，在本申请的气体环境下磁控溅射时容易使衬底发热及产生二次溅射，使成膜质量及薄膜性能较差。本发明中，优选控制磁控溅射的溅射功率为4～9kw。本发明中，磁控溅射的时间优选为15～45s。
将石墨靶材在混合气体环境中进行磁控溅射后，在衬底上沉积得到掺氢掺氮的类金刚石薄膜(n-dlc薄膜)，按照本发明的制备手段并调控溅射条件和参数对类金刚石薄膜进行掺杂，使制得的n-dlc薄膜不仅具有良好的光学特性，同时还具有良好的硬度和耐磨性，能够适用于对光学和机械性能均有要求的器件。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制得的类金刚石薄膜。本发明中，所述类金刚石薄膜的厚度优选为2～4nm。
实验结果表明，按照本发明的制备方法制得的大部分类金刚石薄膜产品的透光率达到92％以上，莫氏硬度达到7以上，利用尺寸为2×2cm的钢丝绒在载荷为1kg的条件下进行摩擦实验，摩擦次数达到100000以上。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
清洗好的玻璃衬底放入溅射室内，调节高纯石墨靶与衬底之间的距离为10cm。对溅射室抽真空，使真空度为5×10-6mtorr。打开气体阀门，通入氩气、氢气和氮气，调节气体流量控制阀门，使氩气流量为30sccm，氢气流量为15sccm，氮气流量为5sccm，控制通入氩气、氢气和氮气的体积比为2:1:0.1，且控制溅射室内的气体压强为5mtorr。控制磁控溅射的工作电压为500v，调控溅射功率为5kw，溅射30s，在衬底上沉积类金刚石薄膜。对所得类金刚石薄膜的各项性能进行检测，结果显示：其透光率为94％，莫氏硬度为8，利用尺寸为2×2cm的钢丝绒在载荷为1kg的条件下进行摩擦实验，摩擦次数达到100000以上。
实施例2
清洗好的玻璃衬底放入溅射室内，调节高纯石墨靶与衬底之间的距离为10cm。对溅射室抽真空，使真空度为5×10-6mtorr。打开气体阀门，通入氩气、氢气和氮气，调节气体流量控制阀门，使氩气流量为30sccm，氢气流量为15sccm，氮气流量为5sccm，控制通入氩气、氢气和氮气的体积比为2:2:0.3，且控制溅射室内的气体压强为5mtorr。控制磁控溅射的工作电压为500v，调控溅射功率为5kw，溅射30s，在衬底上沉积类金刚石薄膜。对所得类金刚石薄膜的各项性能进行检测，结果显示：其透光率为94％，莫氏硬度为8，利用尺寸为2×2cm的钢丝绒在载荷为1kg的条件下进行摩擦实验，摩擦次数达到100000以上。
实施例3
清洗好的玻璃衬底放入溅射室内，调节高纯石墨靶与衬底之间的距离为10cm。对溅射室抽真空，使真空度为5×10-6mtorr。打开气体阀门，通入氩气、氢气和氮气，调节气体流量控制阀门，使氩气流量为30sccm，氢气流量为15sccm，氮气流量为5sccm，控制通入氩气、氢气和氮气的体积比为2:1:0.1，且控制溅射室内的气体压强为15mtorr。控制磁控溅射的工作电压为500v，调控溅射功率为5kw，溅射30s，在衬底上沉积类金刚石薄膜。对所得类金刚石薄膜的各项性能进行检测，结果显示：其透光率为94％，莫氏硬度为5，利用尺寸为2×2cm的钢丝绒在载荷为1kg的条件下进行摩擦实验，摩擦次数达到50000以上。
实施例4
清洗好的玻璃衬底放入溅射室内，调节高纯石墨靶与衬底之间的距离为10cm。对溅射室抽真空，使真空度为5×10-6mtorr。打开气体阀门，通入氩气、氢气和氮气，调节气体流量控制阀门，使氩气流量为30sccm，氢气流量为15sccm，氮气流量为5sccm，控制通入氩气、氢气和氮气的体积比为2:1:0.1，且控制溅射室内的气体压强为0.5mtorr。控制磁控溅射的工作电压为500v，调控溅射功率为5kw，溅射30s，在衬底上沉积类金刚石薄膜。对所得类金刚石薄膜的各项性能进行检测，结果显示：其透光率为93％，莫氏硬度为5，利用尺寸为2×2cm的钢丝绒在载荷为1kg的条件下进行摩擦实验，摩擦次数达到50000以上。
实施例5
清洗好的玻璃衬底放入溅射室内，调节高纯石墨靶与衬底之间的距离为10cm。对溅射室抽真空，使真空度为5×10-6mtorr。打开气体阀门，通入氩气、氢气和氮气，调节气体流量控制阀门，使氩气流量为30sccm，氢气流量为15sccm，氮气流量为5sccm，控制通入氩气、氢气和氮气的体积比为2:1:0.1，且控制溅射室内的气体压强为5mtorr。控制磁控溅射的工作电压为100v，调控溅射功率为5kw，溅射30s，在衬底上沉积类金刚石薄膜。对所得类金刚石薄膜的各项性能进行检测，结果显示：其透光率为94％，莫氏硬度为5，利用尺寸为2×2cm的钢丝绒在载荷为1kg的条件下进行摩擦实验，摩擦次数达到50000以上。
对比例1
清洗好的玻璃衬底放入溅射室内，调节高纯石墨靶与衬底之间的距离为10cm。对溅射室抽真空，使真空度为5×10-6mtorr。打开气体阀门，通入氩气和氢气，调节气体流量控制阀门，使氩气流量为30sccm，氢气流量为15sccm，控制通入氩气和氢气的体积比为2:1，且控制溅射室内的气体压强为5mtorr。控制磁控溅射的工作电压为500v，调控溅射功率为5kw，溅射30s，在衬底上沉积类金刚石薄膜。对所得类金刚石薄膜的各项性能进行检测，结果显示：其透光率为94％，莫氏硬度为6，利用尺寸为2×2cm的钢丝绒在载荷为1kg的条件下进行摩擦实验，摩擦次数达到80000以下。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。