KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 碳基复合薄膜中特殊纳米结构的可控制备及性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
王伟奇
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| Thesis Advisor | 李红轩 ; 吉利 |
| 2019-05-16 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Department | 先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 碳基复合薄膜 磁控溅射 自形成 纳米结构 性能 Carbon-based composite film Magnetron sputter deposition Self-organize Nano-structure Properties |
| Abstract | 碳基薄膜材料以其高硬度、超低摩擦系数、高耐磨、良好的化学稳定性等一系列优异的性能在解决苛刻条件下的摩擦、磨损、润滑及防护方面发挥了其它材料不可替代的重要作用，广泛应用于军工高技术领域和民用机械工业领域。但是在实际应用过程中仍存在制备得到的薄膜应力高、脆性大、膜基结合力差和摩擦学性能受环境影响大等不足。因此设计制备纳米多层、纳米复合结构是解决上述问题的有效途径。基于此，本论文提出开展碳基复合薄膜中特殊纳米结构（包括：纳米多层、纳米复合、碳纳米线结构）的生长机理、可控制备及性能研究。从不同金属元素与碳之间化学相互作用强弱的角度出发，选择不同的金属元素、通过沉积参数的调节，设计和制备了一系列具有不同纳米结构的碳基复合薄膜，研究了不同沉积参数之间的耦合作用机制，探讨了不同纳米结构形成的起因和驱动力并建立了相应的生长机理模型，实现了不同纳米结构的可控制备。同时研究了特殊纳米结构的形成与薄膜性能之间的关系规律。论文所获得的主要研究结果如下： 1．利用反应磁控溅射沉积设备，以与碳化学作用较弱的金属铜为研究对象，分别在高甲烷气流比、短沉积时间和低甲烷气流比、长沉积时间两个最优实验条件下制备得到了具有自形成纳米多层结构的a-C:H/Cu薄膜，其中自形成的纳米多层结构主要由碳富集层和铜富集层交替排列形成，且多层薄膜中的铜元素含量均保持在10-25at.%范围内。这种自形成制备方法极大弥补了传统多层薄膜制备过程复杂的缺陷。通过降低沉积压力、提升沉积离子能量使薄膜中多层结构的层数增加。同时实验中发现碳基薄膜中自形成纳米多层结构的生长机理是多种因素共同作用的一个复杂过程：薄膜低沉积速率、小而均匀的铜纳米颗粒、高能量的沉积粒子等因素有利于薄膜中自发形成纳米多层结构。 2．碳化镍晶体的晶面间距与石墨极为相近，因此极易催化诱导碳纳米线的生长。实验中以金属元素镍为研究对象，利用反应磁控溅射沉积技术，通过一步法在20%甲烷气流比条件下，在碳基薄膜中原位自形成了排列整齐的碳纳米线阵列结构，从而极大改善了传统制备CNWs/a-C:H复合薄膜步骤过于复杂的缺点，节约了生产成本和能耗。同时通过沉积时间的调节，分别在a-C:H薄膜中原位自形成得到了具有不同直径（6-12nm）、排列整齐的CNWs阵列，并对薄膜的机械和场发射电子性能进行测试，发现碳纳米线具有天然的封口结构可以有效改善薄膜的场发射性能，制备的CNWs/a-C:H复合薄膜最大电流密度可以达到1.23mA•cm-、发射寿命可以达到8.3h以上，同时薄膜硬度可达到10GPa、结合力为14.87N。 3．以与碳化学作用较强的金属元素钛为研究对象，在利用磁控溅射沉积制备钛掺杂碳基薄膜过程中发现样品台的转速对于薄膜中纳米结构的形成具有重要影响。在样品台固定不转动、通入甲烷气体条件下，薄膜中制备得到碳化钛晶体镶嵌在非晶碳网络中的纳米复合结构。保持样品台转速为5°/S、共溅射钛靶和石墨靶时，利用基底沉积表面周期性暴露在钛靶和石墨靶表面可以得到TiC层和C层交替排列的纳米多层结构，当转速超过5°/S时薄膜则又变为碳化钛晶体镶嵌在非晶碳网络中的纳米复合结构。通过在薄膜中形成纳米多层结构可以有效降低薄膜内应力和电阻率，为制备碳基电极材料和导电润滑材料提供了技术参考。同时通过改变石墨靶溅射电流制备得到了一系列不同调制周期的TiC/GLC多层薄膜，发现在溅射电流为10A下沉积的薄膜中sp2杂化碳含量最高、平均摩擦系数最低为0.1，同时具有良好的硬度和膜基结合力。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25253 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 王伟奇. 碳基复合薄膜中特殊纳米结构的可控制备及性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019. |
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