专利名称：含晶体结构的碳氮薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种含晶体结构的碳氮薄膜的制备方法。
背景技术：
近10年来，碳氮(CNx)薄膜因为具有机械及摩擦方面的独特性能而倍受关注。这种材料具有耐磨、低摩擦系数、高弹性膜量和高硬度等多方面的优异性能，在很多领域中具有相当广阔的应用前景。目前，一些技术已经得到实际应用，如用于计算机的硬盘表面保护层等，因此碳氮薄膜在机械性能上优越于纯碳膜而有取而代之的趋势。很多关于碳氮薄膜的研究都集中在其制备技术，目前类金刚石碳膜的制备一般用化学气相沉积法和物理气相沉积法，如微波等离子体辅助沉积、射频磁控溅射沉积等。然而，但是气相合成实验装置复杂，需要较高的真空和较高的温度，工艺参数严格，且制备出的碳氮薄膜为非晶碳氮膜。
近年来，科研人员利用电化学沉积技术，以甲醇等有机溶剂作为碳源制备出了类金刚石碳膜。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低廉而且容易操作的制备含晶体结构的碳氮薄膜的方法。
一种含晶体结构的碳氮薄膜的制备方法，其特征在于主要包括以下步骤(1)配制摩尔比在1∶100～1∶1000范围内尿素的甲醇溶液；(2)将配制好的溶液置于电解反应器中，调节电解液的温度在30～60℃；(3)将单晶硅片夹在石墨片上作阴极，石墨作阳极；(4)采用直流高电压500～1500V作用，沉积时间为2～10小时。
本发明中所涉及的原料为甲醇和尿素，其中甲醇在高电压作用下可以电离形成甲基子活性基团，尿素在高电压作用下可以形成亚氨基活性基团，两种活性基团易于化学吸附在负电极表面进而形成具有晶体结构的碳氮薄膜。
本发明制备的薄膜均匀性好，薄膜含有β-C3N4晶体结构。薄膜具有良好的减摩、抗磨特性。
本发明中所制备的碳氮薄膜的结构用X-射线衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱(Raman)进行了表征。结构表明，单晶硅片上成功制备出了含氮的类金刚石碳薄膜，薄膜中含有一定晶面取向的β-C3N4的晶体结构，氮/碳比例在0.05～0.25之间。
本发明所涉及的薄膜具有良好的减摩抗磨特性，可作为微型机械和摩擦中的保护涂层使用。薄膜的摩擦学特性用UMT-2MT摩擦试验机(美国)进行评价。摩擦偶件用φ3的红宝石(a-Al2O3)球，运动方式为往复滑动，负载分别为200mN，滑动速度为3Hz，滑动距离8mm，环境温度为25℃，湿度43％～56％。摩擦试验结果表明，所制备的碳氮薄膜具有良好的摩擦学特性。
具体实施例方式
为了更好的理解本发明，通过实例进行说明实施例1称0.15克尿素和96克甲醇，将两者混合配置成摩尔比为1∶1000的尿素/甲醇溶液。将溶液倒入电解反应器中，通过调节加热水浴的温度使电解液的温度恒定为50℃。将预先清洗好的单晶硅片夹在石墨片上作阴极，纯石墨片作为阳极。施加800V的直流电压作用于两电极，在沉积过程中电压保持不变，沉积时间为5小时。
制备出的碳氮薄膜的红外光谱中，有一个显著的吸收带位于1350～1550cm-1之间，这是由无序(D带)和类石墨(G带)的sp2C-N键组成，另一个位于1200～1270cm-1的吸收峰归属于对称的四面体sp3C-N键。Raman光谱图出现明显的D峰和G峰，呈现典型的类金刚石碳结构特征。X射线光电子能谱分析发现薄膜表面氮原子和碳原子化学键和形成sp2C-N和sp3C-N结构，氮碳原子个数比为0.05～0.25。X射线衍射谱出现β-C3N4的三个衍射峰，分别对应于β-C3N4的(111)，(200)和(210)晶面。
在相同摩擦试验条件下，单晶硅片起始摩擦系数为0.20，往复摩擦几秒后摩擦系数就上升至0.40～0.60之间；碳氮薄膜起始的摩擦系数大于0.15(这是由表面粗糙度决定)，几十秒后摩擦系数逐渐下降到0.07～0.08，摩擦两小时后，摩擦系数基本保持不变。
权利要求
1.一种含晶体结构的碳氮薄膜的制备方法，其特征在于主要包括以下步骤(1)配制摩尔比在1∶100～1∶1000范围内尿素的甲醇溶液；(2)将配制好的溶液置于电解反应器中，调节电解液的温度在30～60℃；(3)将单晶硅片夹在石墨片上作阴极，石墨作阳极；采用直流高电压500～1500V作用，沉积时间为2～10小时。
全文摘要
本发明公开了一种含晶体结构的碳氮薄膜的制备方法。以含有尿素的甲醇溶液作为电解液，石墨作为阳极，单晶硅片作为阴极，通过直流高电压作用在阴极上沉积出碳氮薄膜。其特点是实验设备简单，制备过程简便，仅利用在甲醇中掺杂一定量尿素的方法电化学沉积碳氮薄膜。该薄膜有望在微型机械、硬盘保护和平板显示器等领域使用。
文档编号C25D9/08GK1632177SQ200310121059
公开日2005年6月29日 申请日期2003年12月24日 优先权日2003年12月24日
发明者杨生荣, 徐洮, 阎兴斌, 陈刚 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所