脉冲偏压电弧离子镀C-N-V薄膜的成分、结构与性能

李红凯; 林国强; 董闯

doi:10.7498/aps.59.4296

摘要

用脉冲偏压电弧离子镀方法在硬质合金基体上制备了一系列不同成分的C-N-V薄膜.用X射线光电子能谱、激光Raman光谱、 X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和纳米压痕等方法分别研究了薄膜的成分、结构与性能.Raman光谱，XRD和TEM结果表明，所制备的薄膜为在类金刚石(DLC)非晶基体上匹配有VN晶体的碳基复合薄膜.随V和N含量的增加，薄膜硬度与弹性模量先增加后下降，在N含量为204%，V含量为218%时薄膜硬度与弹性模量具有最大值，分别为368和5697 GPa，高于相同条件下制备的

关键词:

Abstract

High quality C-N-V films with different compositions were prepared on cemented carbide substrate using pulsed bias arc ion plating. The surface morphology, composition, microstructure and properties of C-N-V films were investigated by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, Raman spectra, grazing incident X-ray diffraction, and nano-indentation, respectively. The results show that the deposited films were nanocomposite films with VN nanocrystalline phase imbedded within diamond-like carbon(DLC) amorphous matrix. The hardness and elastic modulus, which are closely related to the composition and structure of the film, first increase and then decrease with increasing V and N contents and have the highest values of 368 and 5697 GPa exceeding that of pure DLC film prepared under the same condition when nitrogen content is 204% and vanadium content is 218%. The variation of V and N contents has significant influence on the phase structure, relative concentration of VN crystalline phase and DLC amorphous phase, and induces the formation of nano-diamond phase, hence has great effect on the properties of the films.

Keywords:

作者及机构信息

1.
大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室，大连 116085

基金项目: 国家高技术研究发展计划（批准号：2006AA03Z521）资助的课题.

Authors and contacts

1.
大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室，大连 116085

参考文献

[1]	［1］Hainsworth S V, Uhure N J 2007 Int. Mater. Rev. 52 153
[2]	［2］Robertson J 2002 Mater. Sci. Eng. R 37 129
[3]	［3］Li H X, Xu T, Chen J M, Zhou H D, Liu H W 2005 Acta Phys. Sin. 54 1885 (in Chinese) ［李红轩、徐洮、陈建敏、周惠娣、刘惠文 2005 54 1885］
[4]	［4］Ju J H, Xia Y B, Zhang W L, Wang L J, Shi W M, Huang Z M, Li Z F, Zheng G Z, Tang D Y 2000 Acta Phys. Sin. 49 2310 (in Chinese) ［居建华、夏义本、张伟丽、王林军、史为民、黄志明、李志锋、郑国珍、汤定元 2000 49 2310］
[5]	［5］Tan M L, Zhu J Q, Han J C, Gao W, Liu A P, Han X 2008 Mater. Res. Bull. 43 453
[6]	［6］Zhao D C, Ren N, Ma Z J, Qiu J W, Xiao G J, Wu S H 2008 Acta Phys. Sin. 57 1935 (in Chinese) ［赵栋才、任妮、马占吉、邱家稳、肖更竭、武生虎 2008 57 1935］
[7]	［7］Singh V, Jiang J C, Meletis E I 2005 Thin Solid Films 489 150
[8]	［8］Ma G J, Liu X L, Zhang H F, Wu H C, Peng L P, Jiang Y L2007 Acta Phys. Sin. 56 2377 (in Chinese) ［马国佳、刘喜亮、张华芳、武洪臣、彭丽平、蒋艳莉 2007 56 2377］
[9]	［9］Zhang Z Y, Lu X C, Luo J B, Shao T M, Qing T, Zhang C H 2006 Chin. Phys. 15 2697
[10]	］Inkin V N, Kirpilenko G G, Dementjev A A, Maslakov K I 2000 Diam. Relat. Mater. 9 715
[11]	］Byon E, Kim J K, Rha J J, Kwon S C, Mu Z X, Liu C, Li G Q 2007 Surf. Coat. Technol. 201 6670
[12]	］Chen C C, Hong F C N 2005 Appl. Surf. Sci. 242 261
[13]	］Veprek S, Reiprich S 1995 Thin Solid Films 268 64
[14]	］Musil J 2000 Surf. Coat. Technol. 125 322
[15]	］Pal S K, Jiang J C, Meletis E I 2007 Surf. Coat. Technol. 201 7917
[16]	］Xu P, Li J J, Wang Q, Wang Z L, Gu C Z, Cui Z 2007 J. Appl. Phys. 101 014312
[17]	］Glaser A, Surnev S, Netzer F P, Fateh N, Fontalvo G A, Mitterer C 2007 Surf. Sci. 601 1153
[18]	］Zhao Z W, Liu Y, Cao H, Ye J W, Gao S J, Tu M J 2008 J. Alloys Compd. 464 75
[19]	］Delpeux S, Beguin F, Benoit R, Erre R, Manolova N, Rashkov I 1998 Eur. Polym. J. 34 905
[20]	］Yang W B, Fan S H, Zhang G L, Ma P N, Zhang S Z, Du J 2005 Acta Phys. Sin. 54 4944 (in Chinese) ［杨武保、范松华、张谷令、马培宁、张守忠、杜健 2005 54 4944］
[21]	］Ferrari A C 2002 Diam. Relat. Mater. 11 1053
[22]	］Xu F, Zuo D W, Lu W Z, Zhang H Y, Wang M 2008 Acta Metall. Sin. 44 74 (in Chinese) ［徐锋、左敦稳、卢文壮、张海余、王珉 2008 金属学报 44 74］
[23]	］Nemanich R J 1991 Annu. Rev. Mater. Sci. 21 535
[24]	］Veprek S 1999 J. Vac. Sci. Technol. A 17 2401
[25]	］Tay B K, Cheng Y H, Ding X Z, Lau S P, Shi X, You G F, Sheeja D 2001 Diam. Relat. Mater. 10 1082

施引文献

[1]	［1］Hainsworth S V, Uhure N J 2007 Int. Mater. Rev. 52 153
[2]	［2］Robertson J 2002 Mater. Sci. Eng. R 37 129
[3]	［3］Li H X, Xu T, Chen J M, Zhou H D, Liu H W 2005 Acta Phys. Sin. 54 1885 (in Chinese) ［李红轩、徐洮、陈建敏、周惠娣、刘惠文 2005 54 1885］
[4]	［4］Ju J H, Xia Y B, Zhang W L, Wang L J, Shi W M, Huang Z M, Li Z F, Zheng G Z, Tang D Y 2000 Acta Phys. Sin. 49 2310 (in Chinese) ［居建华、夏义本、张伟丽、王林军、史为民、黄志明、李志锋、郑国珍、汤定元 2000 49 2310］
[5]	［5］Tan M L, Zhu J Q, Han J C, Gao W, Liu A P, Han X 2008 Mater. Res. Bull. 43 453
[6]	［6］Zhao D C, Ren N, Ma Z J, Qiu J W, Xiao G J, Wu S H 2008 Acta Phys. Sin. 57 1935 (in Chinese) ［赵栋才、任妮、马占吉、邱家稳、肖更竭、武生虎 2008 57 1935］
[7]	［7］Singh V, Jiang J C, Meletis E I 2005 Thin Solid Films 489 150
[8]	［8］Ma G J, Liu X L, Zhang H F, Wu H C, Peng L P, Jiang Y L2007 Acta Phys. Sin. 56 2377 (in Chinese) ［马国佳、刘喜亮、张华芳、武洪臣、彭丽平、蒋艳莉 2007 56 2377］
[9]	［9］Zhang Z Y, Lu X C, Luo J B, Shao T M, Qing T, Zhang C H 2006 Chin. Phys. 15 2697
[10]	］Inkin V N, Kirpilenko G G, Dementjev A A, Maslakov K I 2000 Diam. Relat. Mater. 9 715
[11]	］Byon E, Kim J K, Rha J J, Kwon S C, Mu Z X, Liu C, Li G Q 2007 Surf. Coat. Technol. 201 6670
[12]	］Chen C C, Hong F C N 2005 Appl. Surf. Sci. 242 261
[13]	］Veprek S, Reiprich S 1995 Thin Solid Films 268 64
[14]	］Musil J 2000 Surf. Coat. Technol. 125 322
[15]	］Pal S K, Jiang J C, Meletis E I 2007 Surf. Coat. Technol. 201 7917
[16]	］Xu P, Li J J, Wang Q, Wang Z L, Gu C Z, Cui Z 2007 J. Appl. Phys. 101 014312
[17]	］Glaser A, Surnev S, Netzer F P, Fateh N, Fontalvo G A, Mitterer C 2007 Surf. Sci. 601 1153
[18]	］Zhao Z W, Liu Y, Cao H, Ye J W, Gao S J, Tu M J 2008 J. Alloys Compd. 464 75
[19]	］Delpeux S, Beguin F, Benoit R, Erre R, Manolova N, Rashkov I 1998 Eur. Polym. J. 34 905
[20]	］Yang W B, Fan S H, Zhang G L, Ma P N, Zhang S Z, Du J 2005 Acta Phys. Sin. 54 4944 (in Chinese) ［杨武保、范松华、张谷令、马培宁、张守忠、杜健 2005 54 4944］
[21]	］Ferrari A C 2002 Diam. Relat. Mater. 11 1053
[22]	］Xu F, Zuo D W, Lu W Z, Zhang H Y, Wang M 2008 Acta Metall. Sin. 44 74 (in Chinese) ［徐锋、左敦稳、卢文壮、张海余、王珉 2008 金属学报 44 74］
[23]	］Nemanich R J 1991 Annu. Rev. Mater. Sci. 21 535
[24]	］Veprek S 1999 J. Vac. Sci. Technol. A 17 2401
[25]	］Tay B K, Cheng Y H, Ding X Z, Lau S P, Shi X, You G F, Sheeja D 2001 Diam. Relat. Mater. 10 1082

[1]	艾立强, 张相雄, 陈民, 熊大曦. 类金刚石薄膜在硅基底上的沉积及其热导率. , 2016, 65(9): 096501. doi: 10.7498/aps.65.096501
[2]	刘海永, 张敏, 林国强, 韩克昌, 张林. 脉冲偏压电弧离子镀Cr-O薄膜结构及光学性能研究. , 2015, 64(13): 138104. doi: 10.7498/aps.64.138104
[3]	姜金龙, 黄浩, 王琼, 王善民, 魏智强, 杨华, 郝俊英. 沉积温度对钛硅共掺杂类金刚石薄膜生长、结构和力学性能的影响. , 2014, 63(2): 028104. doi: 10.7498/aps.63.028104
[4]	张培增, 李瑞山, 谢二庆, 杨华, 王璇, 王涛, 冯有才. 电化学方法制备ZnO纳米颗粒掺杂类金刚石薄膜及其场发射性能研究. , 2012, 61(8): 088101. doi: 10.7498/aps.61.088101
[5]	兰惠清, 徐藏. 掺硅类金刚石薄膜摩擦过程的分子动力学模拟. , 2012, 61(13): 133101. doi: 10.7498/aps.61.133101
[6]	朱慧群, 李毅, 周晟, 黄毅泽, 佟国香, 孙若曦, 张宇明, 郑秋心, 李榴, 沈雨剪, 方宝英. 纳米VO2/ZnO复合薄膜的热致变色特性研究. , 2011, 60(9): 098104. doi: 10.7498/aps.60.098104
[7]	权伟龙, 李红轩, 吉利, 赵飞, 杜雯, 周惠娣, 陈建敏. 类金刚石薄膜力学特性的分子动力学模拟. , 2010, 59(8): 5687-5691. doi: 10.7498/aps.59.5687
[8]	开花, 李运超, 郭德成, 李双, 李之杰. 斜入射离子束辅助沉积对类金刚石薄膜结构影响的分子动力学模拟. , 2009, 58(7): 4888-4894. doi: 10.7498/aps.58.4888
[9]	吴卫东, 何英杰, 王锋, 詹勇军, 白黎, 巨新, 陈正豪, 唐永建, 孙卫国, 潘海斌. Co:BaTiO3/Si(100)纳米复合薄膜制备、微结构及其紫外光电子能谱研究. , 2008, 57(1): 600-606. doi: 10.7498/aps.57.600
[10]	李红凯, 林国强, 董闯. 脉冲偏压电弧离子镀CNx薄膜研究. , 2008, 57(10): 6636-6642. doi: 10.7498/aps.57.6636
[11]	张敏, 林国强, 董闯, 闻立时. 脉冲偏压电弧离子镀TiO2薄膜的力学与光学性能. , 2007, 56(12): 7300-7308. doi: 10.7498/aps.56.7300
[12]	张芸, 张波萍, 焦力实, 李向阳. Au/SiO2纳米复合薄膜的微结构及光吸收特性研究. , 2006, 55(4): 2078-2083. doi: 10.7498/aps.55.2078
[13]	张超, 吴卫东, 陈正豪, 周岳亮, 程新路, 杨向东, 何英杰, 孙卫国, 唐永建. Co:BaTiO3纳米复合薄膜的制备及其结构. , 2005, 54(2): 982-986. doi: 10.7498/aps.54.982
[14]	叶凡, 谢二庆, 李瑞山, 林洪峰, 张军, 贺德衍. 类金刚石和碳氮薄膜的电化学沉积及其场发射性能研究. , 2005, 54(8): 3935-3939. doi: 10.7498/aps.54.3935
[15]	李红轩, 徐洮, 陈建敏, 周惠娣, 刘惠文. 射频功率对类金刚石薄膜结构和性能的影响. , 2005, 54(4): 1885-1889. doi: 10.7498/aps.54.1885
[16]	张晨辉, 雒建斌, 李文治, 陈大融. TiN和Ti1-xSixNy薄膜的微观结构分析. , 2004, 53(1): 182-188. doi: 10.7498/aps.53.182
[17]	杨武保, 王久丽, 张谷令, 范松华, 刘赤子, 杨思泽. 丙酮环境下ECR微波等离子体辅助化学气相沉积类金刚石薄膜研究. , 2004, 53(9): 3099-3103. doi: 10.7498/aps.53.3099
[18]	梅显秀, 徐军, 马腾才. 利用强流脉冲离子束技术在室温下沉积类金刚石薄膜研究. , 2002, 51(8): 1875-1880. doi: 10.7498/aps.51.1875
[19]	郭栋, 蔡锴, 李龙土, 桂治轮. 电解有机溶液法在Si表面制备类金刚石薄膜及退火对其结构的影响. , 2001, 50(12): 2413-2417. doi: 10.7498/aps.50.2413
[20]	梁风, 严学俭. 类金刚石薄膜的性质、应用及制备. , 1999, 48(6): 1095-1102. doi: 10.7498/aps.48.1095

计量

文章访问数: 8416
PDF下载量: 767
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板