石墨靶功率對BCN薄膜質量的研究

王健

【摘 要】隨著社會的發展，人們對材料的需求越來越大，并且對其性能的要求越來越高，尤其對于一些大型機械設備，由于長時間的工作，設備的老化以及機械零件的磨損是不可避免的，這樣就可能增加維護的費用和生產的成本。那么，如何提高設備的使用壽命，減小設備之間的磨損就成為一個重要的課題。本文主要通過物理沉積方法（射頻磁控濺射）來制備一種硬質薄膜（BCN），通過選擇合適的靶材（碳靶）和通入理想的氣體（甲烷和氮氣）進行實驗，通過XRD衍射，臺階儀以及原子力顯微鏡對薄膜進行表征分析其薄膜的質量。

【關鍵詞】磁控濺射；BCN薄膜；靶材

0 引言

BCN薄膜是很多研究者長期研究的課題，因為其結構與金剛石結構很相似，所以研究者們認為它應該具備金剛石的特點，硬度極高，抗摩擦特性很好，而且具備優良的電學光學性能。

眾多科研人員首先建立模型，通過模擬其結構進行理論分析，發現其硬度可以接近金剛石的硬度，其摩擦磨損特性也極其優良，所以很多研究者投身于其實驗研究，通過長時間的研究也初見成效，國內外大量文章也出版了相關研究結果，結果表明BCN薄膜的硬度可以接近44GPa，其性能可以得到很大的應用。其性能指標見

1 實驗部分

實驗所使用的設備是射頻磁控濺射，此設備是在真空下進行的，所以薄膜中雜質含量很低，而且靶材和氣體的純度很高，這些都可以很好的控制制備的BCN薄膜中的雜質含量。為了使薄膜與基片之間有很好的結合力我們在沉積之前會給基片加熱一段時間，這樣有利于提高膜基的結合力，使薄膜更加的牢靠。實驗結束以后也需要保證溫度恢復到室溫時才開啟設備的真空室，避免溫度過高影響薄膜的質量。

本論文主要是通過調節靶功率來研究BCN薄膜相關性能的變化，相關參數見表3。

1.1 XRD分析

我們對制備的三個樣品進行了XRD的測量， XRD的測試結果表明，在圖譜上除了基底峰以外沒有其他的峰位出現，說明制備的BCN薄膜并非晶體，而是非晶結構，這與Xiangyang Chen[1]等幾乎所有研究者的結果一致。

1.2 傅里葉紅外光譜（FTIR）結果分析

然后，在其他實驗條件不變的前提下改變石墨靶的功率，功率分別為50W，100W，150W，得到圖2所示的紅外圖譜。通過圖譜可以看到在2200 cm-1和1600 cm-1的位置可以觀察到有兩個較明顯的吸收峰。在1100cm-1吸收峰對應的是B-C鍵[2]，1400 cm-1吸收峰對應的是B-N鍵[3]，1300 cm-1吸收峰對應的是C-N鍵[4]，位于1600 cm-1處的C=C以及C=N雙鍵。這些價鍵的形成說明BCN三種原子之間不是單純的物理疊加而是形成了化合，成為BCN化合物。并且通過圖譜可以看到，隨著靶功率的增加，對應價鍵的強度也是不斷增加的，說明功率的增加有利于BCN三元化合物的形成。

2 結論

本論文通過磁控濺射的方法沉積了BCN薄膜，通過改變石墨靶的功率研究BCN三元化合物的形成。通過XRD和傅里葉紅外光譜的分析，發現BCN薄膜是非晶結構的三元化合物，并且隨著靶功率的增加BCN薄膜沉積的更加完整。

【參考文獻】

[1]Xiangyang Chen，Zenghui Wang，Shengli Ma，et al.Microstructure and tribological properties of ternary BCN thin films with different carbon contents[J].Diamond and Related Materials，2010，19：1225-1229.

[2]Pascual E，Mari′nez E，Esteve J，et al.Boron Carbide Thin Films Deposited by Tuned-substrate RF Magnetron Sputtering[J].Diamond and Related Materials.1999，8：402-405.

[3]Linss V， Hermann I， Schwarzer N， et al. Mechanical properties of thin films in the ternary triangle B-C-N [J].Surf.Coat.Technol.2003， 163-164： 220.

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