超疏水表面膜的制备

!""# 年 $ 月 第 %! 卷 第 $期 润滑与密封 &’()*+,-*./0/1*/00)*/1 ,234!""# 5674%! /64$ !基金项目! 国家自然科学基金资助项目 !8"O#8":$" 4 收稿日期! !""# ;"% ;"8 作者简介! 禹营 !:<#9#"$ 女$ 博士研究生$ 主要从事疏水材 料研究40=>?@7% C=C2"%E>?@7H4PH@D3W2?4QS24ID4 超疏水表面膜的制备! 禹J营J汪家道J陈大融 !清华大学摩擦学国家重点实验室J北京 :"""$O " " " " " " " 摘要! 通过化学气相沉积的方法$ 在具有规则微形貌的硅片表面沉积硅的有机物制备出了超疏水表面$ 进而对表面 的润湿性进行了对比( 结果表明% 不同的成膜时间和微形貌的结构尺寸直接影响着表面的润湿性& 表面的接触角随着时 间的增长而增大$ 但有一时间极限$ 此后接触角基本不受影响& 当微形貌深度一定$ 随着形貌宽度的增加接触角无明显 变化$ 但超过某一临界值时$ 接触角下降明显$ 不再形成超疏水表面( 关键词! 气相沉积& 表面形貌& 超疏水 中图分类号! .9O#J文献标识码! ,J文章编号! "!8O ;":8" !!""#" " " " " " " $ ;"%# ;! 7#01*4#$*+&+,P’$1# !(.1+D:+0*4-B1,#4"6+#$*&/ !/!&#$J8"#$:&"D"’J)*+#9"?’#$ !LP?PQYQC&?Z6U?P6UC6R-U@Z6763C$-H@D3W2?’D@FQUH@PC$ (Q@B@D3:"""$O$ +W@D?" %0)$1#4$%’7PU?WCSU6GW6Z@IH2UR?IQ[@PW UQ327?UP6G63U?GWC[QUQR?ZU@I?PQSK.U3?D@IH@7@I6D [QUQSQG6H@PQS 6D H@7@I6D H2UR?IQZCIWQ>@I?7F?G6USQG6H@P@6D !+5k"KcQPP?Z@7@PC6R27PU?WCSU6GW6Z@IH2UR?IQ[?HI6DPU?HPQS [@PW H>66PW H2UR?IQK -WQUQH27PHHW6[PW?P[QPP?Z@7@PC6R27PU?WCSU6GW6Z@IH2UR?IQ@H?RRQIPQS ZCP@>Q6RR?ZU@I?P@D3I6?P@D3?DS S@>QDH@6D 6RP6= G63U?GWCK,GG?UQDPI6DP?IP?D37Q@DIUQ?HQH[@PW @DIUQ?H@D36RP@>Q$Z2PPWQUQ@H?7@>@PF?72Q6RP@>Q$I6DP?IP?D37Q@HD1P?R= RQIPQS ZC@PKcWQD PWQSQGPW 6RP6G63U?GWC@H?R@AQS F?72Q$I6DP?IP?D37QS6QHD1PIW?D3Q[@PW P6G63U?GWC[@SPW$Z2PPWQUQ @H?D QF@SQDPSQI7@DQ[WQD I6DP?IP?D37Q?UU@FQH?IU@P@I?7F?72QK-WQH2UR?IQS6QHD1PR6U>27PU?WCSU6GW6Z@IH2UR?IQK ;"(<+1.)%F?G6USQG6H@P&H2UR?IQP6G63U?GWC&27PU?WCSU6GW6Z@I J !" 世纪 <" 年代$ 德国植物学家’ 波恩大学 c@7WQ7>(?UPW76PP教授):*通过研究荷叶表面的结构$ 发现荷叶的 +自洁性, 源于其粗糙表面上微米结构 的乳突以及表面蜡状物的共同作用( 最新的报道认 为)!* % 在荷叶表面微米结构的乳突上还存在着纳米结 构$ 这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引 起表面超疏水的根本原因( 在这些微小的凹凸之间$ 储存着大量的空气( 这样$ 当水滴落到荷叶上时$ 由 于空气层’ 乳头状突起和蜡质层的共同作用$ 使得水 滴不能渗透$ 而能自由滚动( 具有分形结构的表面在 自然界比较常见$ 如鸟类羽毛’ 蝶类翅膀等( 荷叶的 这种超疏水特性的原理$ 为人们构建人工超疏水表面 和设计界面的润湿性提供了指导( 近来$ 已经有大量的关于超疏水表面的制备的报 道% 如机械加工法’ 等离子蚀刻法’ 气相沉积法’ 溶 胶=凝胶法’ 模板挤压法以及上述一些方法的联合运 用等( 一般来说$ 超疏水性表面可以通过 ! 种方法来 制造$ 一种是在疏水材料表面上构建粗糙结构& 另一 种是在粗糙表面上修饰低表面能的物质( 本文作者利用硅的有机物在硅片表面的化学沉积 制备超疏水表面( 硅片表面具有预先加工好的规则微 米级的沟槽形貌( :J试验部分 :4:J实验材料和试剂 二甲基二氯硅烷具体指标见表 :$ 实验所用清洗 溶剂有乙醇’ 丙酮$ 均为市售分析纯产品( 单面抛光 后的硅片由中国有色金属研究院提供( 表 :J二甲基二氯硅烷物理性质 -?Z7Q:J W^CH@I?7GU6GQUP@QH6RS@IW76U6S@>QPWC7H@7?DQ 英文名 k@IW76U6S@>QPWC7H@7?DQ$kTk+L 产品名称 二甲基二氯硅烷 分子结构 分子式 +!N9+7!L@ 化学式 !+N%" !L@+7! 分子量 :!<4"9 密度b!3-I>;%" :4"9 熔点bd ;#9 沸点bd #" 折射率 :4O"% g:4O"8 闪点bd ;<万方数据 :4!J薄膜的制备 :4!4:J表面形貌的制备 设计出一系列尺寸的沟槽形貌$ 用&=0S@P软件进 行版图绘制$ 在中科院自动化所进行掩膜版的加工$ 尔后在北京工业大学进行硅片的湿刻蚀$ 得到表面具 有梯形槽 !凸起" 的硅片( :4!4!J薄膜的制备 硅片在丙酮中常温超声波清洗 !" >@D$ 然后去离 子水冲洗’ 氮气吹干$ 待试验使用( 将二甲基二氯硅 烷溶液放进敞口容器$ 液体不与硅片直接接触$ 盖好 容器口$ 放进恒温箱$ 调节不同反应时间和温度$ 来 控制成膜的厚度和结构( !J薄膜的表面形貌及润湿性表征 !4:J环境扫描电镜 薄膜的表面微结构的测量是在 ]0*n2?DP?!"" ]01扫描设备上进行的$ 工作电压为 !" a5( 样品在 扫描前用导电胶粘贴到样品台上( 图 : 是不同结构尺 寸表面的 L0T图( 图 :J不同形貌宽度表面的 L0T图 ]@3:JL0T@>?3Q6RPWQH2UR?IQ[@PW S@RRQUQDPP6G63U?GWC !4!J接触角测量仪 实验中静态水接触角的测量是用接触角测量仪$ 在室温空气环境下测得的( 测量用液体为去离子水$ 液滴体积为 8 !&( 将样品放在样品台上$ 用微注射 器将 8 !&水滴滴在样品上$ 调节焦距$ 拍得液滴图 像$ 然后用分析软件对接触角进行分析( %J结果与讨论 %4:J时间对硅基底超疏水表面润湿行为的影响 表 ! 是槽深为 %" !>’ 槽宽为 %" !>’ 反应时间 不同时的接触角( 从表中可以看出$ 反应时间的长短 影响着表面的前进和后退接触角$ 在一定温度下$ 反 应时间为 #! W$ 二甲基二氯硅烷成膜状况较好$ 但是 当反应时间再增加时$ 接触角已经没有明显变化( 表 !J相同形貌# 不同反应时间时接触角对比 JJ-?Z7Q!J+6>G?UH@6D 6RI6DP?IP?D37QR6UPWQH?>Q P6G63U?GWC2DSQUS@RRQUQDPUQ?IP@6D P@>Q 反应时间bW 前进角b!q" 后退角b!q" !O :"" O8 %9 :%" 9" O$ :9" :!" #! :#! :8O :"" :#" :8O %4!J形貌对硅基底超疏水表面润湿行为的影响 图 !J不同形貌表面的接触角示意图 ]@3!J+6DP?IP?D37Q6RPWQH2UR?IQ[@PW S@RRQUQDPP6G63U?GWC 图 ! 为不同形貌表面的接触角示意图$ 从图中可 以看出光滑涂层表面的接触角要小于具有表面形貌的 涂层表面的$ 这说明影响表面的疏水程度的因素包括 材料的化学性能和表面的粗糙度( 表 %J相同镀膜时间# 不同形貌接触角对比 J -?Z7Q%J+6>G?UH@6D 6RI6DP?IP?D37QR6UPWQS@RRQUQDP P6G63U?GWC2DSQUH?>QUQ?IP@6D P@>Q 槽宽b!> 前进角b!q" 后退角b!q" !" :#" :O9 %" :#! :8O O" :#" :O" 9" :%" $" $" :!8 #8 J 表 % 是槽深为 %" !>的形貌表面经过 #! W 镀膜 后的接触角$ 从表中可以看出$ 当微结构的深度 相同$ 槽宽小于 9" !>时$ 前进和后退接触角没 有明显变化$ 槽宽大于 9" !>时$ #下转第 :"! 页$ R> 润滑与密封 第 %! 卷 万方数据 量随 #!A#: 的增加而减小$ 端泄量随 #!A#: 的增加先 增加后减小$ 在 #!A#: _:48 处达到最大$ 且以后减 小的趋势较小( 由此综合各润滑性能的影响$ #!A#: _: 时润滑性能最佳( !48J4+对润滑性能的影响 计算条件% TA"_:$ ":A"_"4!$ =:A#: _% """$ #!A#: _"49$ :$ !$ %( 计算结果如图 !" g!% 所示( 图 !"J4+对承载能力的影响 JJ]@3!"J0RRQIP6R4+6D 76?S I?G?I@PC 图 !:J4+对温升的影响 ]@3!:J0RRQIP6R4+6D PQ>= GQU?P2UQU@HQ 图 !!J4+对发热量的影响 J]@3!!J0RRQIP6R4+6D 3QDQU?P@D3WQ?P 图 !%J4+对泄油量的影响 J]@3!%J0RRQIP6R4+6D U?PQ 6R[W67QH@SQR76[ 为了便于观察变化规律$ 这里把不同瓦块数的离 散点连接为曲线$ 瓦块数越多$ 越不利于轴瓦形成较 高的压力分布$ 从而影响其润滑性能( 由图可知$ 随 4+的增加$ 承载能力’ 温升和发热量都是先急剧减 小$ 在 4+h!8 以后趋于平坦$ 而端泄量随 4+的增加 先增加$ 在 4+h!8 以后趋于平坦由此综合各润滑性 能的影响$ 4+的取值应取在 !" gO" 之间( %J结论 !:" 提出一种新型结构的柱面弧形油楔推力滑 动轴承$ 正反转都具有相同的承载能力$ 可通过精细 磨削一次加工完成( !!" 运用流体润滑理论$ 建立了针对此种结构 推力滑动轴承的力学模型及其数值研究方法( !%" 在数值分析的基础上$ 分析各参数对轴承 承载能力’ 温升’ 发热量’ 泄油量等润滑性能的影 响$ 最终确定了各参数的最佳取值范围$ TA"的取值 应在 "4$ g:48 之间$ ":A"应取为 "4O$ #!A#: 取值为 :$ 4+的取值范围在 !" gO" 之间$ 在 =:A#: h:" 时轴 承润滑性能最好$ 针对不同工况的要求$ 可适当调整 各参数的取值( 参考文献 .:/ 李忠$ 王风才$ 袁晓阳$ 等K螺旋面扇形瓦推力轴承热动 力润滑性能分析 )e*K机械科学与技术$ :<<<$ :$ !%"% O"< ;O::K &@VW6D3$ c?D3]QD3I?@$ M2?D l@?6C?D3$ QP?7K-WQU>6= WCSU6SCD?>@I,D?7CH@H6R?NQ7@I6@S LQIP6ULW?GQS ?^S -WU2HP (Q?U@D3)e*KTQIW?D@I?7LI@QDIQ?DS -QIWD6763C$ :<<<$ :$ !%"% O"< ;O::K .!/ ,7@.H>?D Y2UZ?D$ L?W@D M@7S@U@>K,D?7CH@H6R?WCSU6SC= D?>@IPWU2HPZQ?U@D3[@PW Q7?HP@ISQR6U>?P@6D 2H@D3?UQI2UUQDP DQ2U?7DQP[6Ua )e*K-U@Z6763C*DPQUD?P@6D?7$ !""%$ %9% G6H@PQ?@UHG@DS7QH)e*K+6>G6H@PQLPU2IP2UQH$ !""!$ 8#% :O< ;:9"K .O/ l@?67Q@c?D3$ Y6B@Y?P6$ Y6HW@,S?IW@$ QP?7K&6?SHI?UUC= @D3I?G?I@PC>?G R6UPWQH2UR?IQPQAP2UQSQH@3D 6RL@+PWU2HP ZQ?U@D3H7@S@D3@D [?PQU)e*K-U@Z6763C*DPQUD?P@6D?7$ !""%$ %9% :$< ;:<#K .8/ 陈志澜$ 袁小阳$ 王海林$ 等K推力轴承瓦面形面对润滑 性能影响的研究 )e*K摩擦学学报$ !""%$ !% !:"% 89 ; 8?DIQ)e*K-U@Z6763C$ !""%$ !% !:"% 89 ;8D?P2U?7P6?UP@R@I?7)e*K,SFT?PQU$ !""!$ :O !!O"% :$8# ;:$9"K =MN 润滑与密封 第 %! 卷 万方数据 超疏水表面膜的制备 作者： 禹营， 汪家道， 陈大融， Yu Ying， Wang Jiadao， Chen Darong 作者单位： 清华大学摩擦学国家重点实验室,北京,100084 刊名： 润滑与密封 英文刊名： LUBRICATION ENGINEERING 年，卷(期)： 2007，32(8) 被引用次数： 0次 参考文献(2条) 1.C Neinhuis.W Barthlott Characterization and distribution of water repellent,self-cleaning plant surfaces 1997(06) 2.Feng L.Li S.Li Y Super-hydrophobic surfaces:from natural to artifical 2002(24) 相似文献(10条) 1.期刊论文 吴国松.曾小勤.姚寿山.WU Guo-song.ZENG Xiao-qin.YAO Shou-shan AZ31镁合金表面气相沉积不锈钢 薄膜的实验研究 -材料工程2006,""(z1) 利用真空蒸发镀膜技术在镁合金表面沉积不锈钢薄膜是提高镁合金防腐性能的新尝试.本研究利用该技术在AZ31上成功制备了不锈钢薄膜.通过在 5%NaCl溶液中的浸入实验和极化实验考察了腐蚀性能,发现镀膜后耐蚀性显著降低.另外,镀膜后的显微硬度也未有明显提高.利用AFM,SEM,EDX等分析手段 对薄膜进行了观察和检测,发现耐蚀性变差的原因主要是薄膜表面存在贯穿性的微米级孔洞和Cr元素分布不均匀造成的. 2.学位论文 赵济美 热丝化学气相沉积金刚石膜及碳氮膜的研究 2007 本文主要以乙醇为碳源，在热丝化学气相沉积设备中制备金刚石薄膜。围绕金刚石薄膜的形核与生长，研究了乙醇用量、基体温度、反应压强对金 刚石薄膜的形核密度、沉积速率和表面形貌的影响。本文运用正交实验研究了在乙醇用量为3.0-5.1 cm<'3>(形核)，16.9-29.5 cm<'3>(生长)、氢气流 量为200 sccm、基体温度为710-860℃、沉积压强为2.0-5.0 KPa、沉积时间为0.25-6 h等一系列条件下金刚石薄膜的形核和生长。 运用扫描电子显微镜和X-射线衍射谱仪对金刚石薄膜进行了分析。因为乙醇的分解温度要低于甲烷的分解温度，以乙醇为碳源所制备的金刚石薄膜 的形核时间要比甲烷为碳源所需要的形核时间短。在氢气流量为200 sccm、基体温度810℃、反应压强4.0 KPa，无基体偏压的条件下，以乙醇为碳源时 ，形核15 min，其形核密度达到10<'12>cm<'-2>；而以甲烷为碳源时，形核30 min，其形核密度仅达到10<'8>cm<'-2>。在生长阶段，以乙醇为碳源所制 备的金刚石薄膜的沉积速率要高于甲烷为碳源所制备的金刚石薄膜的沉积速率。 本实验得到以下结果：用乙醇制备金刚石薄膜的最佳形核条件为：乙醇用量为3.8 cm<'3>(0.5h)、氢气流量为200 sccm、基体温度为810℃、沉积压 强为3.0KPa；乙醇制备金刚石薄膜的最佳 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 条件为：乙醇用量为25.3 cm<'3>(4h)、氢气流量为200 sccm、基体温度为860℃、沉积压强为3.0 KPa。 另外，我们利用化学气相沉积方法，对碳氮膜的制备进行了初步的探讨。我们通过等离子化学气相沉积方法制备碳氮薄膜，通过能量分散谱仪分析 了实验样品，确定了在沉积薄膜中含有氮元素。 3.学位论文 刘晓明 ZnSe薄膜的制备及结构与性能 2005 ZnSe具有禁带宽、直接带隙跃迁、激子束缚能大和能以任何比例组成任何合金等优点，又是熟知的发光、激光和光学非线性材料。因此一直是蓝色 和绿色发光、激光以及在该波段相应的光学双稳态和光学非线性的重要候选材料。本文对ZnSe薄膜的制备及结构和性能进行了研究。 文章主要探讨了如何用自制的热壁外延炉采用热壁外延法生长出质量较好的ZnSe薄膜，以及初步研究了用金属有机化学气相沉积法制备质量较好 ZnSe薄膜的工艺。并通过X射线衍射分析、原子力显微镜观察和室温光致发光谱分析研究了用热壁外延法和金属有机化学气相沉积法生长的ZnSe薄膜的结 晶特性、表面形貌和发光特性。 4.期刊论文 张超.吴卫东.程新路.杨向东.许华.陈志梅.唐永建.孙卫国.陈正豪.周岳亮.何英杰.谢军 脉冲激光气 相沉积法制备钴纳米薄膜实验研究 -强激光与粒子束2004,16(4) 采用脉冲激光沉积技术制备了钴纳米薄膜,分析和讨论了不同背景气压和脉冲频率对钴纳米薄膜表面形貌的影响及纳米微粒的形成机理.实验结果表 明:在低背景气压下,等离子体羽辉自身粒子之间的碰撞占主导作用,容易形成液滴;在较高背景气压下,等离子体羽辉边缘粒子和背景气体粒子之间的碰撞 占主导作用,容易形成小岛并凝聚成微颗粒;在4Hz的脉冲重复频率和5Pa背景气压下生长出单分散性良好的钴纳米颗粒. 5.学位论文 王栋 高介电常数薄膜的制备及性能研究 2002 该文采用化学溶液分解法（CSD）,以硝酸铋、硝酸镧和钛酸四丁酯为原料制备了掺镧的Bi<,2>Ti<,2>O<,7>薄膜.希望通过掺镧进一步改进 Bi<,2>Ti<,2>O<,7>薄膜的质量.研究了退火温度、退火时间和镧掺杂浓度对薄膜结晶、表面形貌和物理性能的影响.采用金属有机化合物气相沉积 （MOCVD）法制备了TiO<,2>薄膜,研究了退火温度、退火时间对薄膜结晶性、表面形貌和电学性质的影响.最后对反应离子刻蚀技术刻蚀 Bi<,2>Ti<,2>O<,7>和TiO<,2>薄膜的刻蚀速率等问题进行了初步研究. 6.期刊论文 马捷.魏建忠.王从曾.范爱玲.MA Jie.WEI Jian-zhong.WANG Cong-zeng.FAN Ai-ling 温度对化学气相 沉积钨组织与表面形貌的影响 -中国表面工程2010,23(1) 以WF_6和H_2为原料,采用化学气相沉积法在纯铜基体上沉积出难熔金属钨涂层.分析研究了不同沉积温度(500 ℃, 600 ℃, 700 ℃)沉积层显微组织 、表面形貌、表面粗糙度及相关机制.试验分析表明:随沉积温度升高,沉积速率加快,涂层组织柱状晶生长取向趋于杂乱;沉积层表面形貌发生明显改变 ,表面粗糙度显著增加.杂质颗粒对沉积组织有显著的影响,造成沉积表面粗糙度显著增加. 7.学位论文 周梦洋 AlGaN/（Al）GaN量子阱结构的生长与物性研究 2008 AlGaN/(Al)GaN多量子阱结构不仅可应用于紫外探测器、深紫外发光二极管,而且可利用量子阱内子带间跃迁制备量子阱红外探测器。本论文主要从 如何提高AlGaN外延薄膜质量及AlGaN/GaN多量子阱的生长与物性等方面对AlGaN/(Al)GaN多量子阱结构进行了研究,旨在为后期制备出性能优异的量子阱 红外探测器打下坚实的基础。 首先,本论文利用金属有机化学气相沉积方法在蓝宝石衬底上外延生长了一系列AlGaN薄膜,研究了不同生长因素对AlGaN材料质量的影响,发现提高 Al的耦合效率可通过降低反应室气压、增加上下支路气流、降低NH3流量有效抑制预反应来实现。 其次本论文分别研究了AlO3/AlN/AlGaN及SiC/AlN/AlGaN这两种体系中AlGaN材料的生长,通过分析其表面形貌初步了解其生长机理。实验发现在 Al2O3/AlN/AlGaN体系中,由于出现反向畴,不同极性AlN的生长速率不一样,导致具有混合极性的AlN外延层表面比较粗糙。而在SiC衬底上外延生长 AlGaN由于不存在反向畴,其晶体质量及表面形貌明显改善,而且发现通过提高NH3流量可有效减小应力,提高AlGaN薄膜的质量。 最后本论文从物理原理上介绍了AlGaN/GaN量子阱红外探测器的工作原理及结构设计,详细阐述了六角结构的c面GaN基异质结材料中存在的固有自发 极化和压电极化效应的起源,探索性地在蓝宝石衬底上外延了一系列表面平整、界面陡峭的多量子阱结构,研究了不同AlGaN/GaN量子阱宽度对光致发光光 子能量的作用,揭示了极化效应和量子限制效应对量子阱子带间跃迁的影响。研究表明在设计AlGaN/GaN多量子阱结构时,应同时考虑极化效应及量子限制 作用以得到合适的探测波长。 8.期刊论文 王勇.吴永刚.戚同非.田国勋.焦宏飞.张莉.WANG Yong.WU Yong-gang.QI Tong-fei.TIAN Guo-xun. JIAO Hong-fei.ZHANG Li 聚酰亚胺自支撑膜的制备及其表面形貌 -光学仪器2006,28(2) 采用物理气相沉积法,在加热或不加热的抛光玻璃基片上蒸镀NaCl脱膜剂,再混合蒸镀均苯四甲酸二酐(PMDA)和二氨基二苯醚(ODA)两种单体,然后在 空气环境中对样品进行热亚胺化.在去离子水中脱膜后获得厚度为100nm的聚酰亚胺自支撑膜.采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对样品进行化学结构分析 并且根据谱线计算了不同热处理下薄膜的亚胺化程度.采用原子力显微镜,对样品进行表面形貌分析,结果表明给基片加热能改善聚酰亚胺薄膜的表面形貌 . 9.期刊论文 莫建良.朱文斌.刘峰.王昕.张溪文.韩高荣 常压化学气相沉积硅镀膜玻璃结构、表面形貌与光学性能 比较研究 -材料科学与工程2000,18(z2) 本文通过高分辨电镜(HREM)、原子力显微镜(AFM)分析,反射率、透射率测试以及薄膜厚度的测试,研究了常压化学气相沉积法硅镀膜玻璃硅薄膜的结 构、表面形貌(颗粒数量、大小和分布)对镀膜玻璃反射率、透射率的影响.研究发现不同的制备工艺(沉积温度和基板走速)对薄膜的平均反射率和平均透 过率有很大的影响,通过控制合适的工艺参数可以制得具有纳米颗粒镶嵌结构的复合薄膜.具有此种形貌结构的薄膜能在基本部增大透过率的情况下有效 减少薄膜镜面反射,减少光污染. 10.学位论文 尹云飞 磁头表面沉积超薄DLC薄膜及其基底材料SiOxNy的研究 2008 本文研究了分别采用电子回旋共振化学气相沉积(ECR-CVD)、离子束沉积(IBD)、磁过滤真空阴极电弧(FCVA)法制备的不同厚度硬盘磁头超薄DLC保护 膜的结构和性能,以及采用ECR-CVD注入法制备DLC薄膜的基底材料SiOxNy薄膜时,不同衬底偏压对SiOxNy薄膜的成分、结构和性能的影响。 ⑴原子力显微镜(AFM)测试结果表明,采用ECR-CVD法制备的DLC薄膜表面光洁平整,粗糙度处于0.12～0.14nm范围内,薄膜厚度对DLC薄膜的表面粗糙度 及表面形貌没有明显的影响。Raman光谱分析结果表明,随着膜厚减小,ECR-CVD法沉积的薄膜中sp3C-C键的比例有小幅增加,sp2C-C键的含量相应降低 ,sp2团簇排列无序程度提高。而X射线光电子能谱仪(XPS)结果却表明,ECR-CVD薄膜中的sp3C比例从58.4％减小为55.7％,电子能量损失谱(EELS)测试结果 也证明了sp3键含量的小幅减小。Raman光谱分析结果和XPS、EELS的测试结果存在差异的原因主要是由于XPS和EELS检测的是所有的sp3键合的C原子,包括 C-C键和C-H键,而Raman光谱探测的主要是C-C键的振动,正是由于ECR-CVD薄膜中C-H键的大量存在引起了测试结果的差异。厚度为50nm和30nm的薄膜硬度 分别为24.26Gpa和23.56Gpa。随着膜厚从50nm减小为2nm,ECR-CVD法沉积的DLC薄膜的内应力从2.39Gpa减小为1.27Gpa,电阻率则由2.43×109Ωcm减小到 4.77×106Ωcm。 ⑵对于IBD法制备的DLC薄膜,厚度为50nm和30nm的薄膜的粗糙度分别为0.480nm和0.302nm,三维形貌图像显示薄膜表面存在疑似针状突起,这与薄膜生 长过程中Ar离子的持续轰击有关。随着膜厚从50nm减小到2nm,薄膜中sp3键的含量从63.9％减小到60.2％,薄膜中sp2团簇含量增加、尺寸增大且sp2键排 列的无序程度降低。EELS的测试结果与Raman光谱和XPS测试结果保持一致。50nm和30nm厚的薄膜硬度分别为32.48Gpa减小为27.73Gpa。随着膜厚减小,薄 膜的内应力从2.58Gpa减小为1.63Gpa,电阻率由9.51×107Ωcm减小到2.85×106Ωcm。 ⑶FCVA法制备的不同厚度的DLC薄膜表面均光洁平整,粗糙度在0.12nm左右,DLC膜中的sp3键的含量随膜厚的变化趋势与IBD法薄膜类似,且变化显著。 随着膜厚从50nm减小到2nm,薄膜内应力从4.67Gpa减小为1.78Gpa,电阻率则由1.87×106Ωcm减小到3.95×105Ωcm。与ECR-CVD和IBD法相比,FCVA法制备 的DLC薄膜纳米硬度最大,表面自由能最小,抗腐蚀性能最好。 ⑷ECR-CVD法制备的DLC薄膜为a-C:H型,而IBD法制备的DLC薄膜为Ta-C:H型,FCVA方法制备的DLC薄膜为Ta-C型。 ⑸采用ECR-CVD注入法制备DLC薄膜的基底材料SiOxNy薄膜时,随着衬底偏压的增大,SiOxNy薄膜厚度变化的总体趋势是先增加后减小。薄膜的表面粗 糙度和表面形貌受衬底偏压影响较小。随着衬底偏压从0V增加到200V,SiOxNy薄膜中O/Si原子比从0.817呈线性增加到1.171,再进一步增大衬底偏压 ,O/Si原子比基本保持不变。SiOxNy薄膜中N元素的含量先逐渐增加后缓慢减小,在衬底偏压为150V时,薄膜中的N/Si原子比达到最大值0.188。SiOxNy薄膜 中的O主要分布在Si膜的表层,而N主要分布在Si膜的中间层。随着衬低偏压增大,SiOxNy薄膜中先后形成了Si-O键、Si-N键和SiO2化学键。当衬底偏压处 于150V～200V范围时,SiOxNy薄膜的抗腐蚀性能最好。 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_rhymf200708010.aspx 授权使用：中船公司第七二五研究所（洛阳七二五研究所）(ly725yjs)，授权号：ddb5b415-ceb3-4c4c-af75- 9e4700a5d5d7 下载时间：2010年12月9日