化学气相沉积金刚石薄膜的摩擦学性能研究进展(2)

2.3、金刚石薄膜的磨屑结构分析

　　对金刚石薄膜的磨屑进行TEM及喇曼光谱分析发现,金刚石薄膜表面发生了相的转移。Field 等人分别考察了真空和空气中金刚石的磨屑成分,发现在真空中,干净的金刚石对金刚石的高摩擦系数总是伴随着高的磨损率,磨损的碎片主要是由无定形碳和微小的金刚石颗粒构成且大量存在。而在空气中,金刚石对金刚石之间摩擦产生的主要是成分为C H 键的软碎片,他们认为这主要是由于环境和磨擦表面相互作用的结果。Van Bouwelen 等人通过反射电子能量损失光谱发现,真空中刮擦引起的碎片呈现石墨状,而表面结构仍然是金刚石状。移走碎片后,摩擦系数升高,通过观察这一现象,作者证实了这些碎片起到了润滑作用。Ali Erdemir 等人通过实验认为,在摩擦过程中,由于条件的苛刻(如高接触压力、高摩擦热) ,导致金刚石薄膜表面发生了相的转移,金刚石石墨化,石墨是一种很好的固体自润滑材料,从而减少了摩擦磨损。

2.4、离子注入对摩擦学性能的影响

　　近年来的研究发现,利用离子注入技术,对金刚石薄膜进行处理,能够有效地改善其摩擦学性能。Miyoshi 等将碳离子注入到金刚石薄膜表面,结果无论是在潮湿空气中、干燥N2 中还是高真空中,金刚石薄膜都具有低的摩擦系数(～0.1) 和低的磨损率(～10 ^{- 7} mm³PN·m) 。作者认为,碳离子注入能够形成具有低剪切强度的表面层,从而降低了摩擦磨损。T1Le Huu 等人采用5keV 能量的H+ 等离子体轰击金刚石薄膜,拉曼光谱和摩擦实验分别表明,随着H+等离子体的轰击作用,薄膜中SP2 结构的无定型碳含量增加,摩擦系数和磨损率均有显著降低。中科院兰州化学物理研究所的徐洮等研究了氮离子注入后的纳米金刚石薄膜的摩擦学性能。研究结果表明,在N 离子轰击过程中,高能N 离子轰击的辐射损伤作用,造成纳米金刚石薄膜中金刚石结晶度的下降,同时将金刚石薄膜中部分具有SP3 结构的金刚石晶体转化为具有SP2 结构的无定型石墨。在N 离子轰击过程中,纳米金刚石薄膜表面的C-H 键被稳定的C-O 键取代,从而显著降低了摩擦对偶间以键合形式的粘着作用,改善了纳米金刚石薄膜的摩擦磨损性能。

　　总之,金刚石薄膜的摩擦学性能研究表明,其摩擦学行为主要由摩擦表面的化学、物理状态控制。在摩擦和环境的共同作用下,气体的吸附和解吸、摩擦过程中表面化学性质的变化、高温以及离子注入等条下表面结构的重组、苛刻环境下表面石墨化,都能够在摩擦副接触两表面之间产生,并决定着金刚石薄膜的摩擦磨损性能。

3 、CVD 金刚石薄膜发展中存在的问题

　　随着现代沉积技术的发展,人们成功开发了多种制备金刚石薄膜的新技术和新方法,这就有可能实现对金刚石薄膜微观结构的控制,从而提高其各方面的性能。但就目前来说,在金刚石薄膜的发展中,存在几个关键性的问题,严重制约着金刚石薄膜的进一步应用,急需人们去研究解决。

　　①到目前为止,人们对CVD 金刚石薄膜的机理尚未完全清楚。机理的研究,包括金刚石薄膜的形核、生长以及各种基团、原子、等离子体之间的相互作用等还需要人们进行深入的研究。只有彻底弄清楚CVD 金刚石薄膜的机理,才能进一步改进制备技术,改善工艺条件,提高薄膜质量,降低生产成本。

　　②由于金刚石薄膜与基体的物理性能(如热膨胀系数)不匹配,导致膜与基体之间存在很大的应力,结合强度不高,限制了膜与多种基体之间的连结和沉积厚度。为了克服这一缺陷,人们开发了多层膜技术,即寻找合适的成分梯度单层膜或多层膜作为金刚石薄膜与基体之间的过渡层,这成为当前CVD 金刚石薄膜的一个研究热点。

　　③金刚石薄膜的掺杂是解决金刚石薄膜电子学应用的关键。金刚石薄膜沉积过程中的原位掺杂和离子注入是金刚石薄膜掺杂的主要方式。经过对掺杂元素和掺杂方法的系统研究,目前掺硼的P2型半导体已经成功用于二极管和晶体管。但是,n2型掺杂是金刚石薄膜电子学应用的主要障碍。而且,掺杂原子进入金刚石晶格中引起的晶格缺陷也是金刚石薄膜掺杂需要解决的问题。

　　④CVD 金刚石薄膜表面十分粗糙,对于很多应用来说,都必须抛光。由于金刚石硬度极高,化学稳定性极好,因此抛光极其困难。目前还只能采用金刚石抛光金刚石的传统机械抛光方法,效率极低。这种高加工成本也是金刚石薄膜工业化应用的制约因素之一。近年来,出现了激光表面平整化和基于反应扩散原理的热化学抛光技术。此外,通过改进沉积工艺条件,制备纳米晶金刚石薄膜 ,提高其表面光滑度,也是目前金刚石薄膜的一个重要研究方向。