磁控溅射类金刚石膜梯度诱导成核杂化机理研究

Diamond-like carbon (DLC) films have widespread application in areas, such as heat sink, radiation hardening, micro-electromechanical devices because of its excellent performance. The main restriction for the full commercialization of DLC films is attributed to its low adhesion.In order to increase the adhesion of DLC films, low energy and low temperature nucleation techniques can be adopted. However, the nucleation mechanism is generally based on the high energy ion implantation conditions at present, lacking of adequate understanding of the low energy conditions. Combining magnetron sputtering fabrication with first principle theory, the project intends to foucs on the effect of gradient electric field on the oriented nucleation of DLC films. In order to match the DLC films with substrate, the transition films with the lattice constant gradient change be deposited. The nucleation and growth processes of DLC films were oriented by gradient electric field formed by doping technology in transition layers. The method aims to enhance the adhesion between the DLC films and the substrate, and maintain the excellent performance of DLC films. The project provides scientific basis and technical support for the preparation of DLC films with excellent performance.

类金刚石膜秉承了金刚石众多的优异性能，在热沉、抗核加固，微电子等技术应用中具有重大的应用前景。低温、低能注入条件下成核是减小膜基间热失配应力梯度以适用规模化应用的重要手段，而目前类金刚石膜的实验和理论研究多基于高能量离子注入条件，对磁控溅射等较低能量注入条件下的成核机理缺乏认识。本项目拟采用磁控溅射制备和第一性原理模拟相结合的方法，重点研究低能离子注入条件下，过渡层中梯度分布的电荷对类金刚石膜杂化态诱导成核的影响机理。项目拟以硅为基底材料，石墨为靶材，考虑到硅和（类）金刚石的失配问题，在基底材料上逐步沉积晶格梯度匹配的过渡膜，同时利用掺杂技术在过渡层中形成的梯度电场，对类金刚石膜中杂化态的成核和生长姿态进行调节，最终实现高质量类金刚石膜的制备，该方法旨在提高膜材料与基底材料间的结合力，并保持类金刚石膜的优异性能，为规模化制备性能优异的类金刚石膜提供科学依据和技术支撑。

类金刚石（DLC）膜具有高硬度、高热导率、低摩擦因数、良好的耐磨性能和化学惰性等优异的物化性能，在热沉、微电子、抗核加固、生物和汽车工业等领域具有重大的应用前景，吸引了非常多的研究。低能注入条件下成核是减小膜基间热失配应力梯度以适用规模化应用的重要手段，而目前DLC膜的研究多基于高能量离子注入条件，对磁控溅射等较低能量注入条件下的成核机理缺乏认识。.本项目采用磁控溅射制备和第一性原理模拟相结合的方法，重点研究低能离子注入条件下，梯度过渡层对DLC膜杂化态诱导成核的影响。本项目以硅为基底，石墨为靶材，考虑到硅基底和膜的失配问题，在基底材料上沉积不同成份的过渡膜以改善膜基结合力。我们采用不同厚度和N浓度的SiNx中间层，对DLC膜中杂化态的成核和生长姿态进行调节，最终制备高膜-基结合力DLC膜，并对膜的成份，形貌和微观力学性能进行了表征。.对不同中间层的DLC膜的对比研究发现，无中间层的DLC样品中存在张应力，在基底与DLC膜间增加SiNx中间层可以减小膜与基底间的应力，增加膜-基结合力。项目研究了不同厚度SiNx中间层对DLC膜的影响，并对膜的成份、形貌和微观力学性能进行研究，研究发现相较于无中间层样品，有中间层样品表现出良好的附着性能，随着SiNx中间层厚度的增加膜的无序度先增大后减小，最大无序度样品是中间层厚度为10 nm时。研究取得了不同N含量过渡层（浓度不变，梯度增加，梯度减小三种情况）对DLC膜的成份，形貌和硬度等进行表征并获得关键数据，获得了梯度过度层DLC膜的成核机理的新认识。为了澄清中间层存在情况下的成膜机理，我们采用第一性原理模拟了C原子对Si（100）和SiNx表面的微观构型进行模拟，讨论了DLC膜的沉膜机理和中间层对膜性能的影响。.通过不同中间层条件下DLC膜的实验与理论研究，澄清界面处的中间层形成和可能的相互扩散/混合过程。研究为提高DLC膜与基底材料间的结合力，不同沉积方式对DLC膜的性能的影响提供关键技术指导和理论依据，为规模化制备性能优异的DLC膜提供科学依据和技术支撑。