一种铁掺杂的非晶态碳薄膜及其制备方法与流程

本发明涉及一种碳薄膜，尤其是涉及一种铁掺杂的非晶态碳薄膜及其制备方法。

背景技术：

非晶态碳薄膜是一类含有sp3和sp2键的亚稳态长程无序的非晶材料，兼具金刚石和石墨的优良特性，具有高的硬度和高弹性模量、低摩擦系数、优异的耐磨性能，良好的化学惰性以及生物相容性等特点，在机械、电子、光学、生物医学、航空航天等领域具有广阔应用前景。

近年来，将au、n、ni和zno等不同元素或纳米颗粒掺杂到非晶态碳薄膜中，制备具有良好电学、光学、磁学和光催化等性质的功能性碳基复合薄膜，引起研究人员的兴趣，特别是铁掺杂的非晶态碳薄膜，表现出p型半导体、巨磁阻效应和大的反常霍尔效应等奇特的性质尤其引人关注。然而，对于这一现象产生过程中铁/非晶态碳相互作用机理的探究依然存在很多困难，且研究不多，而且非晶态碳薄膜与金属基底结合力较低，容易产生薄膜剥落，从而限制其更广泛的应用。

通常，根据非晶碳薄膜中sp3与sp2键的相对浓度比例，分为类金刚石非晶碳薄膜和类石墨非晶碳薄膜。前者，sp3键碳相对浓度较高，形成无序网络结构，影响着碳薄膜的机械性能；sp2键碳相对浓度较高，以六原子环的形式聚集成类石墨畴，影响碳薄膜的介电性能等。因此，非晶碳薄膜中sp3键碳与sp2键碳相对浓度比例与非晶碳薄膜的性能存在密切联系。

常见的薄膜制备技术有真空蒸镀法、溅射法、激光脉冲沉积法、分子束外延法、金属有机物化学气相沉积、热丝化学气相沉积以及等离子增强化学气相沉积等，磁控溅射或等离子体气相沉积等制膜技术，设备系统复杂，难操作，薄膜性能不稳定，成本高。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种铁掺杂的非晶态碳薄膜及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种铁掺杂的非晶态碳薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)预处理：将铁片作为基底材料进行打磨抛光处理后，清洗吹干后粘贴在真空室的样品架上，以碳线作为蒸发源，连接电极；

(2)镀前准备：将真空室抽真空，并调整靶基距；

(3)蒸镀：在惰性气体条件下，调节阻蒸电流进行蒸镀，在铁片的表面沉积一层碳薄膜，制备得到铁掺杂的非晶态碳薄膜。

作为上述方案的优选，步骤(1)中：铁片的纯度为99.99％，尺寸为10mm×10mm×3mm，碳线的纯度为99.99％。

作为上述方案的优选，步骤(1)中：清洗依次采用丙酮和无水乙醇进行超声清洗15-30min，去除表面油污，采用氮气或氩气吹干。

作为上述方案的优选，步骤(2)中：预热基底材料，使铁片的温度达到150-200℃。

作为上述方案的优选，步骤(2)中：真空室内的真空度大于5×10^-3pa。

作为上述方案的优选，步骤(2)中：靶基距，即基底材料与蒸发源之间距离为50-60mm。

作为上述方案的优选，步骤(2)中：抽真空时，先用挡板遮挡铁片，待达到真空度后，移开铁片。

作为上述方案的优选，步骤(3)中蒸镀的工艺条件为：惰性气体为氩气，流量为0.1-0.5ml/min，碳线预热20-30s，蒸发电流为40-50a，沉积时间为10-20min，碳线熔断，蒸镀完成。

作为上述方案的优选，步骤(3)中：蒸镀过程中样品架保持自转以保持蒸镀的均匀性，转速为10-15rpm。

采用真空蒸镀法制备铁掺杂的非晶态碳薄膜，基底材料的表面性质、蒸镀时基底材料的温度、蒸发速率、真空度等诸多因素都将影响制备的碳薄膜的质量。沉积需要在较高真空度下完成，真空度太低，蒸发源分子或原子将与大量气体分子碰撞，使制备的碳薄膜受污染，甚至形成氧化物等，使得碳薄膜纯度下降；蒸发速率是由所加电流决定，若电流过高，蒸发速率太快，难以形成均匀的连续薄膜，反之，沉积颗粒太大，成分价态分布不均，膜表面平整度较差；靶基距对镀层厚度均匀性产生较大影响。

与现有技术相比，本发明所制备的铁掺杂的非晶态碳的界面处碳元素主要以非晶碳，铁-碳化合物形式存在，其中非晶态碳薄膜主要由石墨化碳sp2和金刚石碳sp3两种价态构成，距离基底越近，石墨化程度越高。本发明制备方法简单，沉积效率高，制备得到的铁掺杂的非晶态碳薄膜较致密。

附图说明

图1为本发明制备的铁掺杂的非晶态碳薄膜的xrd图；

图2为本发明制备的铁掺杂的非晶态碳薄膜刻蚀时间为600s的xps图；

图3为本发明制备的铁掺杂的非晶态碳薄膜刻蚀时间为660s的xps图；

图4为本发明制备的铁掺杂的非晶态碳薄膜刻蚀时间为720s的xps图；

图5为本发明制备的铁掺杂的非晶态碳薄膜刻蚀时间为780s的xps图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

采用实验室用真空蒸镀机，基底材料为高纯铁(99.99％)，尺寸为10mm×10mm×3mm，镜面抛光处理，使用前依次在无水乙醇和丙酮中超声清洗20min，然后用氩气吹干后，粘贴在真空室样品架，样品架在蒸镀过程中自转以保持薄膜的均匀性，转速为15rpm；蒸发源为高纯碳线(99.99％)，两端连接夹具和电极；蒸镀前，调整靶基距，即调整基底材料与蒸发源之间距离为50mm，并用蒸发源挡板保护基底，抽真空至真空度大于5×10^-3pa，移开挡板；蒸镀时，通氩气，流量为0.5ml/min，碳线预热30s；调节蒸发电流至40a，进行碳薄膜蒸镀；沉积20min后，碳线熔断，蒸镀完成。

实施例2

采用实验室用真空蒸镀机，基底材料为高纯铁(99.99％)，尺寸为10mm×10mm×3mm，镜面抛光处理，使用前依次在无水乙醇和丙酮中超声清洗15min，然后用氩气吹干后，粘贴在真空室样品架，样品架在蒸镀过程中自转以保持薄膜的均匀性，转速为15rpm；蒸发源为高纯碳线(99.99％)，两端连接夹具和电极；蒸镀前，调整靶基距，即调整基底材料与蒸发源之间距离为55mm，并用蒸发源挡板保护基底，抽真空至真空度大于5×10^-3pa，移开挡板；蒸镀时，通氩气，流量为0.5ml/min，碳线预热30s；调节蒸发电流至45a，进行碳薄膜蒸镀；沉积15min后，碳线熔断，蒸镀完成。

制备得到的铁掺杂的非晶态碳薄膜进行xrd测试，图1所示为本发明的x射线衍射图谱，从图谱可以看出，碳成分由碳和铁-碳的化合物组成。

将制备得到的非晶碳薄膜进行xps检测，附图2-5为沿非晶碳薄膜表面到铁碳界面方向，剖析刻蚀时间为600s、660s、720s和780s的c1s谱图，刻蚀深度分别为162nm、178nm、194nm和210nm。从c1s谱图拟合结果，可知沿非晶碳薄膜表面到铁碳界面方向，sp2/sp3杂化键相对浓度比值逐渐增大，石墨化程度增加，同时fe-c化合物含量逐渐增多。

从本发明的实验结果中发现，本发明真空蒸镀法制备的非晶碳薄膜，沿非晶碳薄膜表面到铁碳界面方向，sp2/sp3杂化键相对浓度比值逐渐增大，石墨化程度增加，同时fe-c化合物含量逐渐增多。

实施例3

采用实验室用真空蒸镀机，基底材料为高纯铁(99.99％)，尺寸为10mm×10mm×3mm，镜面抛光处理，使用前依次在无水乙醇和丙酮中超声清洗30min，然后用氩气吹干后，粘贴在真空室样品架，样品架在蒸镀过程中自转以保持薄膜的均匀性，转速为13rpm；蒸发源为高纯碳线(99.99％)，两端连接夹具和电极；蒸镀前，调整靶基距，即调整基底材料与蒸发源之间距离为60mm，并用蒸发源挡板保护基底，抽真空至真空度大于5×10^-3pa，移开挡板；蒸镀时，通氩气，流量为0.1ml/min，碳线预热20s；调节蒸发电流至50a，进行碳薄膜蒸镀；沉积10min后，碳线熔断，蒸镀完成。

实施例4

采用实验室用真空蒸镀机，基底材料为高纯铁(99.99％)，尺寸为10mm×10mm×3mm，镜面抛光处理，使用前依次在无水乙醇和丙酮中超声清洗15min，然后用氩气吹干后，粘贴在真空室样品架，样品架在蒸镀过程中自转以保持薄膜的均匀性，转速为10rpm；蒸发源为高纯碳线(99.99％)，两端连接夹具和电极；蒸镀前，调整靶基距，即调整基底材料与蒸发源之间距离为60mm，并用蒸发源挡板保护基底，抽真空至真空度大于5×10^-3pa，移开挡板；蒸镀时，通氩气，流量为0.3ml/min，碳线预热25s；调节蒸发电流至50a，进行碳薄膜蒸镀；沉积10min后，碳线熔断，蒸镀完成。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。