占空比和偏置电压对通过阳极层离子源制备的氢化碳膜摩擦学性能的影响

《Applied Surface Science》：Influence of duty cycle and bias voltage on the tribological properties of hydrogenated carbon films prepared by anode layer ion source

氢化非晶碳薄膜的制备工艺及性能优化研究采用阳极层离子源辅助沉积技术，系统探究占空比和基板偏压电压对薄膜微结构、力学及摩擦学性能的影响。实验表明，不同工艺参数通过调控沉积粒子能量与通量，显著改变sp3/sp2键比、致密化程度及性能指标，其中200V偏压时摩擦系数最低（0.0815），250V时磨损率最优（1.86×10?? mm3·N?1·m?1），18%占空比时硬度达25.58 GPa且综合性能最佳。该研究为高耐磨a-C:H涂层工艺优化提供实验依据。

　　

杨攀峰|高凯雄|张斌|李伟业|江丽琳|贾倩

中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，中国兰州730000

摘要

本研究采用阳极层离子源辅助沉积技术，在硅片上制备了氢化非晶碳（a-C:H）薄膜，所用源气体为氩气和乙炔的混合物。系统研究了两个关键工艺参数——离子源占空比（18%、20%、22%）和基底偏压（150 V、200 V、250 V）对薄膜微观结构、机械性能和摩擦学性能的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱、纳米压痕仪和三维光学轮廓仪对薄膜进行了全面表征。结果表明，偏压和占空比通过影响沉积粒子的能量和流量，显著调节了薄膜的sp³/sp²键比例、致密化和机械性能。在200 V偏压下，薄膜的平均摩擦系数最低（0.0815）；在250 V偏压下，磨损率最低（1.86 × 10^-8 mm³·N^-1·m^-1）。当占空比为18%时，薄膜硬度最高（25.58 GPa），且整体摩擦学性能最佳（摩擦系数0.0751，磨损率1.68 × 10^-8 mm³·N^-1·m^-1）。本研究为优化阳极层离子源制备的高性能a-C:H涂层的工艺参数提供了重要的实验基础。

引言

类金刚石碳（DLC）薄膜是由sp³和sp²键组成的非晶碳材料。由于其优异的性能，如高硬度、高弹性模量、低摩擦系数、高耐磨性和良好的化学惰性，它们在机械部件[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、航空航天[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、生物医学植入物[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]以及微机电系统[17]、[18]、[19]、[20]等领域具有广泛的应用前景。DLC薄膜的性能在很大程度上取决于sp³和sp²碳键的相对含量以及氢含量[21]、[22]、[23]。较高的sp³键含量通常会导致更高的硬度和更好的耐磨性，而sp²键和氢的引入有助于降低内部应力和摩擦系数[24]、[25]、[26]。这些微观结构特性直接由沉积工艺参数决定。

在各种沉积方法中，离子源辅助沉积已被证明是合成高质量DLC薄膜的有效方法。该技术提供了高电离度和高能量的粒子，有助于在生长过程中进行原位轰击和改性。特别是阳极层离子源，具有结构简单、电离效率高以及生成宽且均匀离子束的能力。在关键沉积参数中，基底偏压直接控制入射离子的动能，这对诱导亚表面植入、薄膜致密化和sp³键的形成至关重要[27]、[28]、[29]。同时，脉冲离子源的占空比调节放电的时间特性，从而影响等离子体密度和离子流量的时间平均值，进而控制沉积动力学和生长形态。然而，系统研究这些参数（特别是占空比和偏压）在阳极层离子源沉积中对a-C:H薄膜的结构-性能关系的影响仍然较少。

因此，本研究利用矩形阳极层离子源，在不同的占空比和基底偏压下制备了一系列a-C:H薄膜，重点研究了这两个参数对薄膜微观结构、机械性能（硬度、弹性模量、H/E、H³/E²）和摩擦学性能（摩擦系数、磨损率）的影响，旨在揭示其背后的机制，并为高性能、低磨损a-C:H涂层的可控制备和工艺优化提供理论指导和数据支持。

实验部分

样品制备

实验在自行开发的多功能涂层设备中进行，工艺流程如图1所示。使用N型Si(100)抛光晶片作为基底。沉积前，所有基底均经过15分钟超声清洗以去除表面污染物，然后用干燥氮气干燥并固定在样品架上。样品与离子源出口之间的距离设置为150毫米。达到5.0 × 10^-3 Pa的基真空后，引入氩离子

微观结构和机械性能

图2（a–f）展示了不同偏压下a-C:H薄膜的SEM截面和表面形态。结果表明，所有薄膜都呈现致密且光滑的非晶结构，说明阳极层离子源辅助沉积有效地促进了薄膜的均匀生长。薄膜厚度随偏压的增加而非单调变化，在200 V时达到最大值1.947微米，在150 V和250 V时分别降至1.279微米和1.447微米。

讨论

雷达图固有的归一化过程人为地压缩了具有不同物理单位和测量尺度参数之间的实际幅度差异，可能会误导读者对观察到的变化的真实意义的理解。更根本的是，这种可视化方法中对所有参数的平等加权意味着它们具有同等的重要性，而在实际应用中，耐磨性往往比其他因素对DLC涂层性能的影响更为重要。

结论

本研究系统研究了阳极层离子源工艺参数（偏压和占空比）对a-C:H薄膜的结构、机械性能和摩擦学性能的影响。主要结论如下：

1.

基底偏压主要通过调节沉积粒子的能量来影响薄膜性能。提高偏压会促进薄膜的石墨化（I_D/I_G增加）和致密化（硬度和模量增加）。

作者贡献声明

杨攀峰：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、验证、研究、数据分析、概念化。高凯雄：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资金获取、数据分析。张斌：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、研究、数据分析。李伟业：撰写——审阅与编辑、验证、研究。江丽琳：撰写——审阅与编辑、方法学研究、研究。贾倩：撰写——审阅与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（项目编号2023YFB3712300）、博士后奖学金计划和中国博士后科学基金会（项目编号BX20240184）以及清华大学的水木学者计划的财政支持。