类金刚石薄膜沉积、微结构及力学性能分子动力学模拟研究

• 作 者: 黄德明
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 类金刚石薄膜 分子动力学模拟 纳米压痕 内应力 织构化结构 力学性能

分子动力学模拟是研究薄膜生长和性能结构的重要研究方法。本论文利用分子动力学模拟方法研究了类金刚石薄膜在不同基底上的沉积过程，系统考察了沉积条件如入射能量、入射角度和沉积温度等对薄膜微结构、内应力以及力学性能的影响，并对类金刚石薄膜的生长机制做了深入探讨。本论文的主要结论包括:　　
1、入射能量和入射角度都是决定薄膜生长机制的主要因素。在金刚石基体表面的不同沉积位置，入射原子随沉积能量和入射角度的不同在基体表面的运动方式有很大差别;当入射原子能量E＜30eV，薄膜主要以吸附模式生长，所成碳膜结构疏松，sp3-C含量低;当入射原子能量E＞30eV，薄膜主要以注入模式生长，所成薄膜结构均匀致密，sp3-C含量高;在同一入射能量下，随着入射角度增大，薄膜的内应力降低，但薄膜表面粗糙度增大，薄膜沉积效率降低。　　
2、入射原子能量是一个很关键的参数，对沉积薄膜的力学性能有重要影响。当入射能量较低时(＜10eV)，沉积薄膜密度低、sp2-C含量高且有较大张应力;随着入射能量增大，有更多的入射原子注入到基底，注入深度也增大，过渡层变宽，这有利于增强膜基结合力，薄膜的弹性模量和硬度也随之增加;但当入射能量过大(＞50eV)时，沉积碳膜会因为入射原子的溅射作用而变的较为疏松，薄膜中的sp3-C含量有所减少，薄膜的弹性模量有下降趋势，而薄膜的硬度则严重退化。　　
3、低温沉积有利于类金刚石薄膜的生长。薄膜中sp3-C含量随着基底温度的升高呈线性减少，而薄膜中sp2-C含量则随基底温度的升高线性增加。薄膜结构在温度为500K和700K处会发生明显的相变。此外，基底温度在小于500K时，内应力随着温度的升高而降低;当大于500K后，基底温度对薄膜内应力的贡献很小，薄膜内应力基本保持不变。　　
4、基底织构化导致沉积的类金刚石薄膜过渡层的内应力减小，而对薄膜主体层原子结构几乎没有影响。基底织构化的结构设计会使得过渡层宽度增大，C-Si成键数目增多，在保持碳膜硬度的同时提高了膜基结合力，有利于较厚类金刚石薄膜的制备。