石墨靶功率对BCN薄膜质量的研究

王健

【摘 要】随着社会的发展，人们对材料的需求越来越大，并且对其性能的要求越来越高，尤其对于一些大型机械设备，由于长时间的工作，设备的老化以及机械零件的磨损是不可避免的，这样就可能增加维护的费用和生产的成本。那么，如何提高设备的使用寿命，减小设备之间的磨损就成为一个重要的课题。本文主要通过物理沉积方法（射频磁控溅射）来制备一种硬质薄膜（BCN），通过选择合适的靶材（碳靶）和通入理想的气体（甲烷和氮气）进行实验，通过XRD衍射，台阶仪以及原子力显微镜对薄膜进行表征分析其薄膜的质量。

【关键词】磁控溅射；BCN薄膜；靶材

0 引言

BCN薄膜是很多研究者长期研究的课题，因为其结构与金刚石结构很相似，所以研究者们认为它应该具备金刚石的特点，硬度极高，抗摩擦特性很好，而且具备优良的电学光学性能。

众多科研人员首先建立模型，通过模拟其结构进行理论分析，发现其硬度可以接近金刚石的硬度，其摩擦磨损特性也极其优良，所以很多研究者投身于其实验研究，通过长时间的研究也初见成效，国内外大量文章也出版了相关研究结果，结果表明BCN薄膜的硬度可以接近44GPa，其性能可以得到很大的应用。其性能指标见

1 实验部分

实验所使用的设备是射频磁控溅射，此设备是在真空下进行的，所以薄膜中杂质含量很低，而且靶材和气体的纯度很高，这些都可以很好的控制制备的BCN薄膜中的杂质含量。为了使薄膜与基片之间有很好的结合力我们在沉积之前会给基片加热一段时间，这样有利于提高膜基的结合力，使薄膜更加的牢靠。实验结束以后也需要保证温度恢复到室温时才开启设备的真空室，避免温度过高影响薄膜的质量。

本论文主要是通过调节靶功率来研究BCN薄膜相关性能的变化，相关参数见表3。

1.1 XRD分析

我们对制备的三个样品进行了XRD的测量， XRD的测试结果表明，在图谱上除了基底峰以外没有其他的峰位出现，说明制备的BCN薄膜并非晶体，而是非晶结构，这与Xiangyang Chen[1]等几乎所有研究者的结果一致。

1.2 傅里叶红外光譜（FTIR）结果分析

然后，在其他实验条件不变的前提下改变石墨靶的功率，功率分别为50W，100W，150W，得到图2所示的红外图谱。通过图谱可以看到在2200 cm-1和1600 cm-1的位置可以观察到有两个较明显的吸收峰。在1100cm-1吸收峰对应的是B-C键[2]，1400 cm-1吸收峰对应的是B-N键[3]，1300 cm-1吸收峰对应的是C-N键[4]，位于1600 cm-1处的C=C以及C=N双键。这些价键的形成说明BCN三种原子之间不是单纯的物理叠加而是形成了化合，成为BCN化合物。并且通过图谱可以看到，随着靶功率的增加，对应价键的强度也是不断增加的，说明功率的增加有利于BCN三元化合物的形成。

2 结论

本论文通过磁控溅射的方法沉积了BCN薄膜，通过改变石墨靶的功率研究BCN三元化合物的形成。通过XRD和傅里叶红外光谱的分析，发现BCN薄膜是非晶结构的三元化合物，并且随着靶功率的增加BCN薄膜沉积的更加完整。

【参考文献】

[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.

[4]Chen Y. M.， Zeng Z. X.， Yang S. R.， et al. The tribological performance of BCN films under ionic liquids lubrication [J]. Diam.Relat.Mater. 2009， 18：20-26.endprint