类金刚石薄膜的真空制备技术及其性能研究(5)
1.4.5 直流辉光放电等离子体化学气相沉积
直流辉光放电等离子体化学气相沉积[30]是通过直流辉光放电分解碳氢气体，从而激发形成等离子体，等离子体与基底相互作用并沉积类金刚石薄膜的制备技术，是辉光等离子体放电过程和化学气相沉积的综合利用。该法可以通过调节工艺参数方便地控制薄膜厚度和结构，并可以获得质量均匀、致密、稳定性好的薄膜，且具有沉积温度低、沉积面积大、操作方便、绕镀性好、便于推广工业化生产等优点而成为一种比较有前途的DLC制备方法。
1.4.6 射频辉光放电等离子体化学气相沉积
直流辉光放电等离子体化学气相沉积不利于制备不导电的绝缘薄膜，而射频辉光放电等离子体气相沉积[31]可以克服表面电荷积累效应，提高沉积速率。这种方法具有沉积温度低、膜层质量好、适于在介质基底上沉积的优点，是目前最常用的DLC膜制备方法之一。
1.5 类金刚石薄膜存在的问题
尽管类金刚石薄膜在研究上已经取得了一些实质性的进展，但是在实际应用中仍然存在着一些问题，有待进一步解决。
沉积类金刚石薄膜时，由于等离子体羽辉中的各种碳离子和团簇在撞击基底表面时往往具有很高的能量，其中一部分碳离子会将多余的能量以热传导的方式传递给基底中的原子或者分子，局部区域会形成高温高压状态，从而形成金刚石的sp3键杂化。当沉积结束后，类金刚石薄膜和基底又恢复到室温状态，从而在类金刚石薄膜沉积中的温度变化会很大，薄膜和基底的热膨胀系数一般是不同的，导致薄膜和基底的热胀冷缩情况是有差别的，因此会在薄膜内部产生残余应力。当残余应力大于薄膜与基底之间的黏附力时，薄膜就会出现起皱与剥离的现象。实验结果表明，类金刚石薄膜内部的残留应力可以高达10GPa。为了消除薄膜内的残余应力、提高黏附性，有人采用高温退火技术使残余应力降低到0.2GPa以下。可是，热循环会导致过度回火、额外氧化和污染。
于是，人们又采用元素掺杂改性的梯度膜或多层膜来消除薄膜内的残留应力。在类金刚石薄膜中分别掺杂Ag、Cu、Si和Ti元素来制备类金刚石梯度薄膜。结果表明，银元素并不和碳元素形成化学键而是形成微小的颗粒在碳膜中呈点状排列分布，由于银的弹性模量明显小于类金刚石薄膜的弹性模量，因此银纳米颗粒可以有效吸收薄膜中的残留应力。钛元素则和碳元素形成钛的碳化物并呈现层状分布，通过化学键来提高薄膜的黏附性。
1.6 DLC薄膜研究展望
随着科学技术和材料制备合成技术的进步，新型碳基薄膜材料越来越多地出现在人们的视野中，极大地丰富了我们的生活。在过去的几十年内，我们对DLC薄膜的研究还只是集中在膜层的技术制备、结构测试、性能研究和应用发展，对DLC薄膜材料未来的发展方向，需要从这几个方面进行深入研究[32]。
(1)基础理论研究。虽然DLC薄膜材料的应用范围很广泛，但是如何用理论计算、计算机辅助模拟、全新实验方法来深入理解碳基薄膜材料沉积过程、力学性能以及摩擦学性能的本质值得关注和思考。比如，碳基薄膜碳单键骨架形成机理，摩擦过程转移膜和石墨化层形成机制及转移膜自身特性揭示，薄膜的内应力和硬度影响因素，薄膜表面与外界环境的相互作用机理等。
(2)关键技术研究。从目前来看，DLC薄膜出现了几个方面的主要技术瓶颈，导致它未能在世界范围内获得广泛应用。①DLC薄膜在沉积的过程中会产生较高的内应力，导致其与基体结合差，膜层会起皮、脱落，薄膜的沉积厚度受到了限制。②DLC薄膜的热稳定性差，温度高于200℃时会发生氢解离石墨化转变，高于450℃时，开始出现氧化现象和完全氢解离，DLC薄膜的性能明显变差。③碳基薄膜材料有韧性低、脆性强和摩擦性能受环境影响强等问题。
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