通过使用AlSiN夹层改善金刚石膜沉积在不锈钢上的粘附性和表面粗糙度

金刚石薄膜是一种具有高硬度，良好的生物相容性和高导热性等独特性能的材料。在钢材上沉积金刚石薄膜可以极大地改善钢的性能，引起了人们的研究兴趣。然而，在不锈钢上直接沉积金刚石薄膜存在三个问题。首先，不锈钢和金刚石之间的热膨胀系数（CTE）差异很大，这造成大的热应力并使薄膜容易分层。其次，由于碳扩散速率大，碳溶解度高，很难在不锈钢上形成连续的金刚石薄膜。第三，铁或镍在不锈钢中的催化作用使得在不锈钢表面上形成石墨相，导致膜的粘附性差。

近日，浙江工业大学胡晓君等人通过使用Al/AlSiN作为中间层，改善了采用热丝化学气相沉积法将金刚石膜沉积在不锈钢上的粘合强度。相关研究结果以“Adherent and smooth diamond film deposited on stainless steel by using AlSiN interlayers”为题发表在《Applied Surface Science》上。

图 在Si含量不同的夹层上的金刚石薄膜沉积示意图 （a）0 at.%  （b）3.4 at.%, (c) Si含量大于或等于 5.4 at.%.

结果显示，在AlSiN夹层中Si的原子百分含量为3.4％的情况下，金刚石膜表现出良好的粘合性能。另外，该膜非常光滑， 表面粗糙度的Ra为58.3699nm。掠入射X射线衍射图表明已形成AlSiN固溶体，更倾向于碳原子向AlSiN层扩散。随着铬原子从钢基体扩散到中间层，在Al/AlSiN界面形成了较多的碳化铬，通过降低应力集中和提供机械联锁来增强膜的最弱点，从而改善金刚石膜的粘附性。在中间层中Si的原子百分含量等于或高于5.4％时，非晶Si3N4在晶界处析出，晶界体积减小，导致碳扩散速率降低。因此，少量的碳化物在Al/AlSiN界面形成，削弱了薄膜的粘附性。

DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.05.084

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