真空蒸鍍技術制備類金剛石碳膜材料及其表征

商孟香 何溯源 陸 姣

（黑龍江農業職業技術學院，黑龍江 佳木斯154007)

真空蒸鍍沉積薄膜是薄膜制備中最為廣泛使用的技術,具有簡單便利、操作容易、成膜速度快、效率高等優點[1]。本文利用真空蒸鍍技術制備了具有超平結構的類金剛石碳薄膜材料，對制備過程中的實驗條件進行探索，對所制備的碳膜材料進行了表征。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

濃H2SO4，30%H2O2均為分析純。

制備碳薄膜為瑞士BAL-TEC公司制造的CED 050碳蒸鍍設備。采用Renishaw-2000型共聚焦拉曼光譜儀、VG ESCALAB MKⅡ型X射線光電子能譜、SPI3800N型原子力顯微鏡對所制備的碳膜進行表征。

1.2 石英片襯底的預處理

將石英片放入piranha溶液（98%H2SO4:30%H2O2=7:3（V：V）；（注意：Piranha溶液是強氧化劑，使用時要倍加小心！）中煮沸30 min,隨后用超純水沖洗干凈，再依次用無水乙醇、超純水超聲清洗各15 min。用氮氣吹干，放入真空干燥器中保存，備用。

1.3 碳薄膜的制備

碳薄膜是在石英襯底上通過真空蒸鍍碳線獲得的。石英襯底比較平整，表面起伏小于1 nm。碳膜蒸鍍設備為低真空冷系統，蒸鍍前真空優于10-2mbar,蒸鍍時在室溫條件下通入Ar氣，氣體流量為0.5 mL/min，碳線預熱時間為30 s。

2 結果與討論

2.1 拉曼光譜對碳膜結構的表征

由于拉曼光譜對薄膜的成鍵類型、團簇尺寸、膜內的應力等都具有良好的分辨能力，因此，常被用于分析、鑒定碳膜內的成鍵結構[2]。從沉積在石英襯底上的薄膜的拉曼光譜譜圖的數據可以看出，所制備的薄膜在800-1800 cm-1有一明顯的寬峰,該峰是由1520 cm-1處的主峰（G峰）和1305 cm-1伴峰（D峰）組成，符合類金剛石碳膜拉曼光譜的特征,這表明所制備的碳薄膜材料應為具有一定量sp3鍵的類金剛石碳薄膜。

2.2 X射線光電子能譜對碳膜結構的表征

高分辨的XPS得到的C1s譜圖是測定類金剛石薄膜中sp2鍵、sp3鍵相對濃度最有效、最簡單的方法之一，而薄膜中sp2鍵、sp3鍵相對濃度比值的大小又是判斷該碳膜材料是否屬于類金剛石薄膜的重要依據[4]。

圖1 靶基距為90 mm(左)和靶基距為55 mm(右)時所制備的薄膜AFM圖像

為了進一步驗證薄膜的晶體質量,對其進行了XPS譜圖測量和分析。從試樣的C1SXPS譜線來看,試樣的電子結合能為284.75 eV，峰的半高寬為1.5 eV接近于金剛石的電子結合能和峰的半高寬，峰形近似對稱,而且圖1中的拉曼光譜的D峰也比較明顯,說明試樣內部的碳原子確實具備更多的sp3雜化鍵疇結構。

2.3 AFM對薄膜的表面形貌分析

從不同靶基距時所制備的薄膜的AFM圖像（圖1）中可得到薄膜的表面形貌和均方根粗糙度(RRMS)。當靶基距從90 mm到55 mm時,RRMS從0.5883 nm變化到0.3529 nm,可見靶基距越短,RRMS越小,薄膜表面越平整。可見，靶基距對鍍層厚度的影響決定著鍍層厚度均勻性的好壞，在實驗中可以通過優化真空室幾何形狀、真空度和旋轉裝置等設備和工藝參數來改善鍍層厚度均勻性。

3 結論

本文利用真空蒸鍍技術制備了具有超平結構的碳薄膜材料。通過拉曼光譜和X射線光電子能譜（XPS）對所制備的該碳薄膜進行了結構分析，證明此膜為具有一定量sp3鍵的類金剛石碳膜。然后利用原子力顯微鏡（AFM）對薄膜進行了表面形貌分析，證明了所制備的類金剛石碳膜具有超平表面結構，儀器參數中的靶基距是影響所制備的金剛石碳薄膜性質的重要參數。

［1］張敏,程發良,姚海軍，等.類金剛石膜的性質和制備及應用[J].表面技術，2006,35(2):4-7.

［2］Robertson J.Diamond like amorphous carbon [J].Materials Science and Engineering 2002,R(37):129-281.

［3］Mehrel P,Tabbal M,Chaker M,et al.Direct evaluation of the sp3content in diamond-like-carbon films by XPS[J].Applied Surface Science 1998,136:105-110.