新准分子工艺可在低温下快速生成超硬 DLC 薄膜

挑战

类金刚石 (DLC) 碳被广泛用于形成高耐磨涂层。 但是，当前的 DLC 涂层方法存在各种缺点。 例如，四面体非晶碳 (ta-C) 是一种理想的无氢 DLC 材料，因其极高的硬度 (>40 GPa) 和低摩擦而闻名。 但典型的生产方法会生产出内应力很高的薄膜，从而降低其性能。 米特韦达应用科学大学的子公司 Antacon 的 Hagen Grüttner 和同事们着手开发一种新工艺，该工艺可以制造低应力薄膜并适用于工业生产。 他们的方法基于使用Coherent公司 248 nm 准分子激光器独特高脉冲能量的脉冲激光沉积 (PLD)。

解决方案

开发成功的低温生产方法的关键是，结合以下两种基于准分子的工艺： 脉冲激光沉积 (PLD) 和退火。 Grüttner 解释道，“基于准分子的 PLD 是一种众所周知的工业工艺，用于生产功能性薄膜，例如高温超导薄膜。 此外，它还可以用于低温基材。 然而，当 PLD 工艺（或任何其他工艺）用于 ta-C 时，涂层通常含有大量（例如 12 GPa）的残余应力，这大大降低了其机械强度”。

Grüttner 及其同事们解决了这个问题，并使用两个Coherent公司 LEAP 准分子激光器制造了残余应力低至 0.1 GPa 的厚（微米）ta-C 涂层。 第一个准分子聚焦在真空 PLD 生产室（仅加热到 90°C）内的石墨靶上。 高通量和深 UV 光子产生的碳离子具有在基材上产生致密 ta-C 层所需的高动能。 这用于在基材上构建厚度达 100 nm 的 ta-C 层。 然后，使用第二个准分子的脉冲照射薄层，覆盖面积为几平方毫米。 这样，可使整个 100 nm 新 ta-C 层退火，并消除残余应力。 （采用脉冲时步进光束位置的方法对大面积涂层进行退火。） 然后，重复 PLD 工艺，来生产另一个 100 nm 的 ta-C。 重要的是，通过调整激光参数，该团队能够改变由此产生的薄膜硬度、杨氏模量和内应力消除量。 他们已利用这一方面针对钢等材料生产梯度层，确保实现出色的附着力和非常坚硬的顶层。

结果

米特韦达团队使用可选沉积参数，实现了高达 70 GPa 的硬度和 700 至 800 GPa 的杨氏模量，从而极大地提高了操作耐磨性。 由于 <100 nm 的低平均表面粗糙度 (Ra) 和低摩擦系数 (≤ 0.1)，这些层也非常适合摩擦学应用。 研究人员现正在寻求将该工艺商业化。 Grüttner 总结了准分子激光器的优势，即“LEAP 准分子的高脉冲能量能够实现大面积退火。 我们已使用高 (150 Hz) 重复率来支持快速 ta-C 沉积，并计划升级到 300 Hz。 稳定的输出和平滑的光束轮廓使我们能够精确控制沉积和退火工艺”。 

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