真空蒸鍍技術(shù)制備類(lèi)金剛石碳膜材料及其表征

商孟香 何溯源 陸 姣

（黑龍江農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯154007)

真空蒸鍍沉積薄膜是薄膜制備中最為廣泛使用的技術(shù),具有簡(jiǎn)單便利、操作容易、成膜速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。本文利用真空蒸鍍技術(shù)制備了具有超平結(jié)構(gòu)的類(lèi)金剛石碳薄膜材料，對(duì)制備過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行探索，對(duì)所制備的碳膜材料進(jìn)行了表征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

濃H2SO4，30%H2O2均為分析純。

制備碳薄膜為瑞士BAL-TEC公司制造的CED 050碳蒸鍍?cè)O(shè)備。采用Renishaw-2000型共聚焦拉曼光譜儀、VG ESCALAB MKⅡ型X射線光電子能譜、SPI3800N型原子力顯微鏡對(duì)所制備的碳膜進(jìn)行表征。

1.2 石英片襯底的預(yù)處理

將石英片放入piranha溶液（98%H2SO4:30%H2O2=7:3（V：V）；（注意：Piranha溶液是強(qiáng)氧化劑，使用時(shí)要倍加小心?。┲兄蠓?0 min,隨后用超純水沖洗干凈，再依次用無(wú)水乙醇、超純水超聲清洗各15 min。用氮?dú)獯蹈桑湃胝婵崭稍锲髦斜４?，備用?/p>

1.3 碳薄膜的制備

碳薄膜是在石英襯底上通過(guò)真空蒸鍍碳線獲得的。石英襯底比較平整，表面起伏小于1 nm。碳膜蒸鍍?cè)O(shè)備為低真空冷系統(tǒng)，蒸鍍前真空優(yōu)于10-2mbar,蒸鍍時(shí)在室溫條件下通入Ar氣，氣體流量為0.5 mL/min，碳線預(yù)熱時(shí)間為30 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉曼光譜對(duì)碳膜結(jié)構(gòu)的表征

由于拉曼光譜對(duì)薄膜的成鍵類(lèi)型、團(tuán)簇尺寸、膜內(nèi)的應(yīng)力等都具有良好的分辨能力，因此，常被用于分析、鑒定碳膜內(nèi)的成鍵結(jié)構(gòu)[2]。從沉積在石英襯底上的薄膜的拉曼光譜譜圖的數(shù)據(jù)可以看出，所制備的薄膜在800-1800 cm-1有一明顯的寬峰,該峰是由1520 cm-1處的主峰（G峰）和1305 cm-1伴峰（D峰）組成，符合類(lèi)金剛石碳膜拉曼光譜的特征,這表明所制備的碳薄膜材料應(yīng)為具有一定量sp3鍵的類(lèi)金剛石碳薄膜。

2.2 X射線光電子能譜對(duì)碳膜結(jié)構(gòu)的表征

高分辨的XPS得到的C1s譜圖是測(cè)定類(lèi)金剛石薄膜中sp2鍵、sp3鍵相對(duì)濃度最有效、最簡(jiǎn)單的方法之一，而薄膜中sp2鍵、sp3鍵相對(duì)濃度比值的大小又是判斷該碳膜材料是否屬于類(lèi)金剛石薄膜的重要依據(jù)[4]。

圖1 靶基距為90 mm(左)和靶基距為55 mm(右)時(shí)所制備的薄膜AFM圖像

為了進(jìn)一步驗(yàn)證薄膜的晶體質(zhì)量,對(duì)其進(jìn)行了XPS譜圖測(cè)量和分析。從試樣的C1SXPS譜線來(lái)看,試樣的電子結(jié)合能為284.75 eV，峰的半高寬為1.5 eV接近于金剛石的電子結(jié)合能和峰的半高寬，峰形近似對(duì)稱(chēng),而且圖1中的拉曼光譜的D峰也比較明顯,說(shuō)明試樣內(nèi)部的碳原子確實(shí)具備更多的sp3雜化鍵疇結(jié)構(gòu)。

2.3 AFM對(duì)薄膜的表面形貌分析

從不同靶基距時(shí)所制備的薄膜的AFM圖像（圖1）中可得到薄膜的表面形貌和均方根粗糙度(RRMS)。當(dāng)靶基距從90 mm到55 mm時(shí),RRMS從0.5883 nm變化到0.3529 nm,可見(jiàn)靶基距越短,RRMS越小,薄膜表面越平整?？梢?jiàn)，靶基距對(duì)鍍層厚度的影響決定著鍍層厚度均勻性的好壞，在實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)優(yōu)化真空室?guī)缀涡螤?、真空度和旋轉(zhuǎn)裝置等設(shè)備和工藝參數(shù)來(lái)改善鍍層厚度均勻性。

3 結(jié)論

本文利用真空蒸鍍技術(shù)制備了具有超平結(jié)構(gòu)的碳薄膜材料。通過(guò)拉曼光譜和X射線光電子能譜（XPS）對(duì)所制備的該碳薄膜進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，證明此膜為具有一定量sp3鍵的類(lèi)金剛石碳膜。然后利用原子力顯微鏡（AFM）對(duì)薄膜進(jìn)行了表面形貌分析，證明了所制備的類(lèi)金剛石碳膜具有超平表面結(jié)構(gòu)，儀器參數(shù)中的靶基距是影響所制備的金剛石碳薄膜性質(zhì)的重要參數(shù)。

［1］張敏,程發(fā)良,姚海軍，等.類(lèi)金剛石膜的性質(zhì)和制備及應(yīng)用[J].表面技術(shù)，2006,35(2):4-7.

［2］Robertson J.Diamond like amorphous carbon [J].Materials Science and Engineering 2002,R(37):129-281.

［3］Mehrel P,Tabbal M,Chaker M,et al.Direct evaluation of the sp3content in diamond-like-carbon films by XPS[J].Applied Surface Science 1998,136:105-110.