氢含量控制在DLC薄膜制备时是如此重要！

1) 类金刚石薄膜应用广泛，我们一般都是控制sp3/sp2的含量，其实氢含量对膜层的性能影响非常明显。

2) 用氢钝化来解释和选择DLC（不同气氛如真空、空气等）很有效。这也会启发我们在镀膜工艺中，简单改变工艺可以大大提高膜层的服役性能。

3) DLC镀膜，有时从真空室拿出就掉膜，也许就是这个钝化效应的变化造成！关联思考很有意思。

 引言 

近年来，类金刚石碳（DLC）薄膜因其独特的机械和摩擦学性能而引起了人们的极大兴趣。由于sp3和sp2比例的不同和氢含量不同，DLC薄膜的摩擦系数表现出从0.001到0.6较大范围的波动。同时在不同气氛环境下，同种DLC薄膜的摩擦系数也表现出不同变化趋势。我们应该如何选择适应工况的DLC薄膜呢？下面以镀膜时氢含量为变量，一起讨论DLC薄膜在不同气氛下的摩擦学规律。

 解析 

美国阿贡国家实验室的A. Erdemir结合PVD和CVD方法，以石墨靶、C2H2、C2H4、CH4、75%CH4+25%H2、25%CH4+75%H2等不同组合作为碳源和镀膜气氛，制备了H/C比例从0到10多组DLC薄膜，并总结了其在不同气氛环境下的摩擦学规律：氢化DLC在真空条件下摩擦学性能较好，而空气环境无氢DLC耐磨性提升明显！相关研究以题为“The role of hydrogen in tribological properties of diamond-like carbon films”发表在《Surface & Coatings Technology》期刊上。

通过在不同气氛下（N2气氛和空气环境）对薄膜进行摩擦实验，发现在N2气氛环境下，随氢含量升高，薄膜的摩擦系数降低明显，从0.6降低到0.003左右，表现出极好的耐磨性，如图1所示。但当在实验过程中停止N2供应，改为供应空气时，无氢DLC的摩擦系数迅速降低，而高氢含量的DLC摩擦系数迅速升高，如图2所示。引起这种变化的主要原因来自DLC薄膜表面悬挂键状态的改变。氢可以钝化DLC表面，从而降低摩擦系数。那空气的加入为什么会引起无氢DLC摩擦系数降低而氢化的升高呢？原来空气中含有较多水蒸气和氧气等成分，也可以与DLC结合，起到一定的钝化作用。但是也有研究表明，水蒸气和氧气会促进DLC表面H的解离，导致悬挂键重新暴露，或许这是空气气氛下氢化DLC摩擦系数升高的主要原因。

图1. 氮气气氛下，DLC中H含量升高，摩擦系数明显降低。

图2. 氮气变成空气后，无氢DLC摩擦系数明显下降，而含氢DLC摩擦系数则升高。

 延伸 

1) 从文章结果来看，虽然空气环境下氢化DLC摩擦系数略有升高，但始终远小于无氢DLC。
2) 我们在PECVD研究中发现，偏压影响sp3含量，其实对氢含量也有较大的影响。我们可要注意了。
3) 氢含量不同，在空气环境下会表现不同的性能，那在沉积DLC的后期是否通过气压、偏压、气体种类来改变含氢量呢？以弱化气氛的影响！

4) 进一步关联，有时我们沉积DLC在真空室内膜层不掉，一旦拿出就会劈里啪啦掉膜，估计是与DLC表面的钝化效应突变有关，改变了表面结构和能量。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01417-7
本文为所引文献赏析和随感
（由胡天时供稿）
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