一种掺杂类金刚石薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种类金刚石薄膜及其制备方法，尤其涉及一种掺杂类金刚石薄膜及 其制备方法。
【背景技术】
[0002] 类金刚石薄膜（Diamond-like carbon, DLC)为一种具有高硬度、低摩擦系数、高耐 磨耐蚀性、宽透光范围、优异生物兼容性等多种优异性能的表面功能材料。因此，DLC薄膜在 海洋船舶工业、航空航天工程、汽车、印刷及生物医药等领域展现出了很大的应用潜力。然 而，由于DLC薄膜固有的亲水性，限制了其在超疏水表面领域的应用。
[0003] 于是为了解决此问题，许多研宄学者采用等离子体处理、热处理及添加第三种元 素等方法。其中，添加第三元素是一种相对简单、便捷的实现疏水性DLC薄膜的技术手段。 但是由于对第三种元素的选择随机性较大，而没有相应的理论指导，导致DLC薄膜的疏水 性并不可控，而难以形成掺杂变化规律。因此这对实际的应用带来较大的困难。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本发明的目的在于提供一种掺杂类金刚石薄膜及其制备方法，以 实现类金刚石薄膜的可控制备，从而可应用于特定的疏水相关领域。
[0005] 本发明提供一种掺杂类金刚石薄膜的制备方法，其包括如下步骤：
[0006] a根据第一性原理计算模拟金属原子与碳原子的成键特征，筛选出与碳原子具有 反键特征的掺杂金属元素；
[0007] b通过离子束法形成类金刚石薄膜，并在类金刚石薄膜的成膜过程中通过磁控溅 射法向所述类金刚石薄膜掺杂至少一种该掺杂金属元素，得到掺杂类金刚石薄膜，其中该 掺杂金属元素的原子百分含量为0. 13%~40%。
[0008] 其中，当向所述类金刚石薄膜掺杂一种掺杂金属元素时，该掺杂金属元素的原子 百分含量为20%~40%。
[0009] 其中，当向所述类金刚石薄膜掺杂两种及两种以上掺杂金属元素时，该掺杂金属 兀素的原子百分含量为0. 13 %~20%。
[0010] 其中，该掺杂金属元素为Cu、Ag、Au、Co、Ni、Pt中的至少一种。
[0011] 其中，所述离子束复合磁控溅射法中采用的离子束为线性离子束，碳源气体为甲 烷、乙炔或苯。
[0012] 其中，所述离子束复合磁控溅射法具体为：在反应室内通入碳源气体，利用离子束 沉积法形成类金刚石薄膜，同时在形成类金刚石薄膜的过程中，利用磁控溅射法向类金刚 石薄膜掺杂所述掺杂金属元素。
[0013] 其中，所述离子束复合磁控溅射法中使用的磁控溅射电源为直流、射频、中频、高 功率脉冲电源中的一种。
[0014] 其中，所述掺杂类金刚石薄膜包括一疏水性表面，该疏水性表面的水接触角大于 90。。
[0015] 本发明还提供一种采用上述制备方法得到的掺杂类金刚石薄膜，其包括类金刚石 薄膜和至少一种掺杂金属元素，该掺杂金属元素的原子百分含量为〇. 13%~40%。
[0016] 其中，所述掺杂类金刚石薄膜包括一疏水性表面，该疏水性表面的水接触角大于 90。。
[0017] 相较于现有技术，本发明所述掺杂类金刚石薄膜及其制备方法具有以下优点：第 一，通过离子束法形成类金刚石薄膜，并在类金刚石薄膜的成膜过程中采用磁控溅射法向 所述类金刚石薄膜掺杂至少一种该掺杂金属元素，一方面所述掺杂金属元素的掺杂可促使 类金刚石薄膜中spVsp 3键态比例的增加，降低了薄膜的表面能极性分量，另一方面该掺杂 金属元素易于以金属纳米团簇的形式从碳网络结构中析出，并导致类金刚石薄膜具有不同 形貌特征以及粗糙度的表面，两者相互作用，从而获得具有疏水性能的掺杂类金刚石薄膜； 第二，通过筛选与碳原子结合具有反键特征的掺杂金属元素，然后进行预定含量的掺杂，可 获得具有良好疏水性能的掺杂类金刚石薄膜。该方法具有可控性和可操作性，易于产业化。
【附图说明】
[0018] 图1为不同的掺杂金属元素与碳原子成反键特征图。
[0019] 图2为第一实施例获得的掺杂类金刚石薄膜的扫描电镜照片。
[0020] 图3为第三实施例获得的掺杂类金刚石薄膜的扫描电镜照片。
[0021] 图4为在不同的掺杂金属元素原子百分含量时掺杂类金刚石薄膜的接触角变化 曲线，其中掺杂金属元素为W(对比例2)和Cu。
[0022] 如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
【具体实施方式】
[0023] 下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实 施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所 获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0024] 本发明提供了一种掺杂类金刚石薄膜的制备方法，其包括如下步骤：
[0025] a根据第一性原理计算模拟金属元素与碳原子的成键特征，筛选出与碳原子具有 反键特征的掺杂金属元素；
[0026] b通过离子束法形成类金刚石薄膜，并在类金刚石薄膜的成膜过程中通过磁控溅 射法向所述类金刚石薄膜掺杂至少一种该掺杂金属元素，得到掺杂类金刚石薄膜，其中该 掺杂金属元素的原子百分含量为0. 13%~40%。
[0027] 在步骤a中，根据第一性原理模拟计算掺杂金属原子和碳原子之间电子结构的变 化，分析掺杂金属原子和碳原子之间的成键特征，筛选出与碳原子结合时成反键特征的金 属元素。该筛选出来的掺杂金属元素为&13 8、411、(：〇、附、？七中的至少一种。
[0028] 在步骤b中，该离子束复合磁控溅射法是指先采用离子束沉积法结合磁控溅射 法，具体的，先在反应室内通入碳源气体，利用离子束沉积法形成类金刚石薄膜；同时在形 成类金刚石薄膜的过程中，利用磁控溅射法向类金刚石薄膜掺杂特定的掺杂金属元素。所 述离子束复合磁控溅射法中采用的离子束为线性离子束，工作气体为甲烷、乙炔或苯。所述 离子束复合磁控溅射法中使用的磁控溅射电源为直流、射频、中频、高功率脉冲电源中的一 种。可以理解，可利用一基片作为制备掺杂类金刚石薄膜的载体。该基片的材料不限，可为 硅片、玻璃、塑料及各种金属材料。
[0029] 该掺杂金属元素的原子百分含量优选为0. 13 %~40 %。当向所述类金刚石薄 月旲惨杂一种惨杂金属兀素时，该惨杂金属兀素的原子百分含3；为20 %~40 %。当向所述 类金刚石薄膜掺杂两种及两种以上掺杂金属元素时，该掺杂金属元素的原子百分含量为 0. 13%~20%。
[0030] 反应原理：通过离子束法形成类金刚石薄膜，并在类金刚石薄膜的成膜过程中通 过磁控溅射法向所述类金刚石薄膜掺杂至少一种该掺杂金属元素，一方面所述掺杂金属元 素的掺杂导致类金刚石薄膜中sp 2/sp3键态比例的增加，降低了薄膜表面能的极性分量；另 一方面，该掺杂金属元素易于以金属纳米团簇的形式从碳网络结构中析出，并导致类金刚 石薄膜具有不同形貌特征以及粗糙度的表面（请参阅图2及图3)，两者相互作用，从而获得 具有疏水性能的掺杂类金刚石薄膜。
[0031] 本发明对采用不同的掺杂金属元素得到的掺杂类金刚石薄膜进行疏水性能的测 试，测试结果见下表1。
[0032] 表 1
[0033]
[0034] 由图4和表1可见，该掺杂类金刚石薄膜在一定金属元素