類金剛石薄膜材料（diamond-like carbon，簡稱DLC）作為一類非晶碳膜材料的統(tǒng)稱，主要由sp3 鍵（金剛石相）和sp2 鍵（石墨相）的三維交叉網絡混合而成，依制備方法不同可含有一定量氫，具有高硬度、低摩擦系數(shù)、高紅外透光性、良好化學惰性和生物相容性等諸多優(yōu)異性能，在海洋、航空航天、生物醫(yī)用、微機電、汽車等領域具有廣闊應用前景。然而，目前DLC研究領域中還存在高殘余壓應力、摩擦學不穩(wěn)定和低成本大面積制備困難等問題，這使其應用受到嚴重限制。

近年來，中國科學院寧波材料技術與工程研究所汪愛英研究團隊針對DLC薄膜中存在的關鍵問題，設計、研制了具有高離化率的大面積均勻a-C:H碳膜線性離子束技術和雙彎曲磁過濾陰極電弧ta-C碳膜技術（授權專利：200920120060.1、201010135514.x ）。進一步采用復合PVD技術，調控薄膜組分和含量，發(fā)展了多種具有低應力、高硬度的從微量到高含量可控的金屬摻雜DLC復合薄膜材料體系（Me-DLC）（Surf. Coat. Technol. 205(2011)2882; 229(2013)217、J. Alloy Compd. 509 (2011) 4626、Thin Solid Films 520 (2012) 6057）；相關結果成功應用于鎂合金、壓縮機滑片等部件表面強化（Diamond Relat. Mater. 19(2010) 1307、Surf. Coat. Technol. 205(2010)2067、 Appl. Surf. Sci. 270(2013)519； 授權專利：201010146572.2、201110085450.1）。結合分子動力學和第一性原理計算，提出了微量金屬摻雜導致DLC薄膜應力大幅降低主要與摻雜金屬與碳原子的成鍵特征緊密相關的普適性物理機制(Thin Solid Films 520 (2012) 6064、Surf. Coat. Technol. S190 (2013); Appl. Surf. Sci. 273(2013)670)，這為設計、制備高性能DLC薄膜材料提供了指導。

最近，該研究團隊針對高精密工模具、微機電、大容量數(shù)據存儲等領域對超薄、超光滑ta-C耐磨防護薄膜的需求，發(fā)展了一種調控碳離子入射角度，實現(xiàn)低應力、高硬度的超薄ta-C碳膜制備新方法。實驗和計算結果表明，碳離子入射角的改變（0-60°）極大的弛豫了碳結構中鍵長和鍵角的畸變，但不影響薄膜中的sp3 C含量，導致應力大幅降低同時薄膜保持了良好的力學特性；在入射角為60°時，ta-C碳膜應力為2.8GPa（與0°相比降幅高達25%），納米壓痕硬度為31GPa，薄膜表面光滑致密。相關成果發(fā)表在近期的美國物理學會AIP Appl. Phys. Lett. 104 (2014) 141908上。

上述研究工作得到國家“973”子課題、國家自然科學基金、中科院重大裝備研制計劃、浙江省和寧波市等項目的資助。



不同金屬摻雜時Me-C之間成鍵特征的變化



不同碳離子源入射角下薄膜殘余壓應力與硬度



不同碳離子源入射角下ta-C薄膜的鍵長、鍵角畸變含量變化曲線（計算模型）