磁控濺射法制備碳化鎢薄膜的研究及其進展

李軍

摘 要：碳化鎢具有非常優異的物理性功能，比如高品質、高耐磨性、高熔點、低模系數，而它現在也可以作為一種理想的優質合金材料，被廣泛地運用于切割工具和礦井行業當中。目前制備碳化鎢粉末和薄膜的工藝多種多樣，比如程序升溫法、化學氣相沉積法、物理氣相沉積法。磁控濺射法是最近發展出來的一種物理氣相沉積法，它具有較低的溫度，較高的速率，因此成了碳化鎢薄膜的研究熱點。基于此，本文以磁控濺射法制備碳化鎢薄膜為研究方向展開討論。

關鍵詞：磁控濺射法;碳化鎢薄膜;進展

一、磁控濺射概述

薄膜是特殊的制備技術形成的亞微米或微米級薄膜。現在薄膜已經應用到各個領域，使產業迅速發展，如塑料、金屬制品，建筑玻璃、液晶顯示屏等運用了薄膜，已經得到了較大的發展。通常制備薄膜的方法有多種多樣，常見的方法有物理、化學沉積法。物理沉積法是目前應用較多的一種方法，它是在真空的條件下利用物理的方法，將氣體分化成原子、分子、離子，由此形成的一種薄膜。由物理方法制成的薄膜包括真空鍍膜、濺射鍍膜、離子鍍膜。隨著時代的發展，目前磁控濺射鍍膜在新形勢下是運用較多的方法，它是在真空室內利用粒子轟擊，并通過粒子傳遞實現的原子和離子之間的一種分離，如此形成的一種薄膜技術。磁控濺射技術，它有諸多優點，例如它可以快速沉積，而且可以運用于許多產物之中，并且其形成的薄膜致密度較好，附著性較高。

二、磁控濺射方法制備碳化鎢薄膜的優勢

磁控濺射鍍膜是物理氣相沉積薄膜中的一種方式，它有諸多優點，比如能夠加大沉積的速度和面積，幾乎所有的金屬化合物都可以在短時間內快速形成相應的材料薄膜。不僅如此，利用磁控濺射方法還可以實現大規模的生產。正是由于磁控濺射鍍膜的多種優勢，如此使其目前得到了廣泛的應用，尤其是20世紀70年代后更是得到了迅猛的發展，目前已經在光學、冶金工業等多種行業得到了廣泛的應用。與其他方式制備的薄膜相比這種膜有更好地致密性和附著性，所以它比蒸發薄膜以及電鍍，更有巨大的優勢，因此目前濺射技術制備薄膜是一種廣泛的應用方式。其優勢還體現在它對于任何待鍍材料都能使其成為實現濺射，而且在進行濺射時機體底部還需要增設夾層，這樣所獲得的薄膜和機體結合將更好。其次，它可以在較低的工作氣壓下獲得較高的沉積效率，濺射所獲得的薄膜程度較高，并且膜的致密度較好。最后，濺射工藝可重復性，厚薄可控制，同時也可以在大面積的物體上獲得厚度均勻的薄膜。由此可見，磁控濺射方法能夠較好地制得碳化鎢薄膜。

三、磁控濺射法制備碳化鎢薄膜作為硬質材料的研究進展

3.1 低溫沉積

一般情況下為了提高材料的性能，比如硬度，就要求材料必須為晶態物質，所以在各類機體上沉積晶體狀態的薄膜有兩種形式。第一種方法，通過直接靜態沉積的方法制定晶態薄膜。第二種方法是通過非晶態沉積，再經過預熱處理轉化為晶態。然而直接通過靜態沉積薄膜的方式獲得，晶態物質沉積的溫度必須要高達800攝氏度以上，這一溫度無疑對物體造成了損傷。所以目前靜態薄膜的沉積方法通常是選擇熱處理轉換。但是如果800攝氏度時的退火、晶化處理會使薄膜的成分發生變化，導致表層的損耗，或是有金屬析出，所以要解決這個問題，必須要考慮在退火過程當中碳的補充。德國學者曾經提出用丙烯和氫氣的混合氣體作為保護反應氣體，在退火中，同時彌補碳的損耗，現如今已經取得了良好的效果，所以就要求先在室溫下用磁控濺射法取得非晶體薄膜，隨著退火過程當中控制丙烯在整個氣氛當中的分壓，就能夠控制薄膜的含量，直至整個薄膜形成。用丙烯和苯作為碳氣體的補充，在熱處理的過程當中，雖然能夠使得碳化鎢薄膜在沉積過程當中能夠進行，但是晶化的熱處理溫度仍然需要高于845攝氏度，盡管晶化過程遠遠要比沉積過程短，但是對物體的損傷仍然存在，由此，這種工藝不能達到實際的需求。基于此，相關學者就將低溫下的濺射沉積納米碳化鎢薄膜的方法引入碳化鎢薄膜制備過程當中，這種技術它能夠提供碳源，能夠將碳60進行蒸發作為碳源，用靜態法濺射沉積的溫度在400攝氏度即可，無需后續的熱處理就可以得到較好的碳化鎢薄膜。

3.2 高硬質沉積

碳化鎢的硬質合金薄膜是晶粒越小，缺陷越小，晶粒尺寸如果能夠達到納米量級，那么它的缺陷就會更少。如果能夠用脈沖反應磁控濺射法制備納米級碳化鎢薄膜，在一定程度上能夠提高碳化鎢薄膜的硬度，使其硬度達到相關需求。除此之外，還可以在碳化鎢的外層包裹一層更硬的材料，也是提高薄膜硬度的一種嘗試，一般會將金剛石碳膜作為這種外層材料，還有學者會運用平衡磁控濺射碳化物外包金剛石薄膜，這樣能夠使其在原有的基礎之上提高硬度。

3.3耐磨、耐腐蝕性沉積

在石油的開采過程當中，工作環境極其惡劣，要求泵關鍵部位的硬度必須要達到30GPa以上，并且要求其要承受水流的沖蝕。所以急需要制備一種硬度和耐腐蝕性的碳化鎢薄膜，隨后，就運用了磁控濺射法制備了碳化鎢薄膜，其中含有合金、耐腐蝕性，這種膜的硬度高達38GPa，并且耐腐蝕性優良，與基體的結合力要比純的碳化鎢薄膜要高，這種膜已經成功地應用于石油開采過程當中，并且它的壽命要比普通的碳化鎢薄膜高出6倍。

結束語

未來磁控濺射法將會制備更優化的碳化鎢薄膜，首先它能夠在低溫下直接沉積碳化鎢晶態硬質薄膜，目前已經得到了廣泛的應用，只需在400度下就能夠制成這種薄膜，在一定程度上拓寬了碳化鎢薄膜的應用范圍。除此之外，它能夠作為催化電極制備pvd碳化鎢薄膜。所以未來磁控濺射法將會推動碳化鎢薄膜朝著更優化的方向發展，將會拓寬碳化鎢薄膜的應用。

參考文獻

[1] 鄭華均，黃建國.磁控濺射法制備碳化鎢薄膜的研究及應用進展[J].浙江化工，2005（01）：35-38.