[00148703]金属掺杂类金刚石薄膜的微结构与应力演变机制研究

高残余应力直接影响薄膜材料的实际应用,在信息、航空航天等高技术领域用DLC薄膜中尤为突出。目前,金属掺杂被认为是降低DLC高应力的理想方法之一。但因多数研究中高含量金属掺杂常导致薄膜微结构与碳键态的复杂多变,且其随掺杂组元、含量和工艺不同而不同,有关金属掺杂DLC薄膜的微结构与应力演变机制尚不清楚。本研究拟采用易于实现高硬度本征DLC生长和金属掺杂的线性离子束复合溅射方法,选择可比对性的碳化物相类掺杂金属元素（Cr、Ti、W）,制备微量到高含量的Me-DLC薄膜,系统研究掺杂金属组元、含量对力学性能和sp2/sp3碳键态、掺杂纳米相分布、尺寸等微结构行为的影响,并根据第一性原理计算,揭示Me-DLC薄膜中微结构演变对力学性能的作用规律,侧重阐明微量金属掺杂下应力降低的物理机制。 结果表明：少量金属（Cr、Ti、W）掺入到DLC膜中,主要固溶于无定形碳网络中,既不与碳结合,也不从DLC碳网络中析出。此时,掺杂金属原子起到一种能量释放的关键“枢纽”作用,碳键凭借其发生扭曲转动,可大幅降低薄膜内的高残余应力;同时,由于固溶在薄膜中的金属原子对碳结构影响较小,薄膜原有的碳三维网络结构几乎保持不变,薄膜硬度和弹性模量保持良好;薄膜具有与纯DLC薄膜类似的摩擦特性,摩擦系数和磨损率低。当进一步增大金属掺杂含量达到一定值并超过其各自在所制备的DLC碳结构中的固溶度时（Cr≥8.42at.%,Ti≥12.87at.%,W＞4.38at.%）,便与C结合形成Me-C键,在薄膜中出现纳米尺寸的硬质碳化物颗粒相并长大、增多,引起薄膜局部无序度增大,导致薄膜残余应力上升;因硬质碳化物相对硬度的补偿作用,硬度略有上升。 为深入阐明掺杂金属导致应力降低的物理机制,第一性原理计算研究表明：Cr、Ti、W和C原子之间的成键特征分别为nonbonding、bonding和nonbonding。Me与C原子之间电负性差的存在,使得键中存在离子部分贡献,降低了键的方向性和体系总能对键角畸变的敏感度;另一方面成键特征的变化降低了键强度,因此,键的强度和方向性的降低直接导致键角畸变时能量变化较小,暗示应力的降低