GB∕T 43104-2023 碳基薄膜分類及命名（正式版）

碳基薄膜分類及命名2023-09-07發(fā)布2024-04-01實施 12規(guī)范性引用文件 13術語和定義 14縮略語 1 26分類 26.1概述 26.2主要的碳基薄膜類型 26.3分類標準 26.4薄膜結構 36.5分類表 37類聚合物碳基薄膜 58非晶碳基薄膜 59金剛石薄膜 610石墨薄膜 6附錄A(資料性)沉積方法 7附錄B(資料性)表征方法 8參考文獻 9IⅢ本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件等同采用ISO20523:2017《碳基薄膜分類及命名》。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由中國機械工業(yè)聯(lián)合會提出。本文件由全國金屬與非金屬覆蓋層標準化技術委員會(SAC/TC57)歸口。本文件起草單位：中國科學院寧波材料技術與工程研究所、武漢材料保護研究所有限公司、寧波新材料測試評價中心有限公司、中國科學院蘭州化學物理研究所、廣東省科學院新材料研究所、中國礦業(yè)林海天。1碳基薄膜分類及命名本文件規(guī)定了碳基薄膜的分類、命名及簡稱。本文件所述的碳基薄膜是以碳為主要成分，并由物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)制備所得的薄膜。碳基薄膜包括非晶碳基薄膜[又稱為類金剛石薄膜(DLC)],CVD金剛石薄膜、石墨薄膜和類聚合物碳基薄膜。本文件適用于工業(yè)規(guī)模生產的碳基薄膜。本文件不適用于尚未實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產的其余種類碳基本文件只涉及碳基薄膜材料，不涉及由主體功能層和上/下附加層組成的復合涂層。薄膜中各層組分和/或性能隨厚度變化的薄膜稱為梯度薄膜。本文件涉及的碳基薄膜均指非梯度碳基薄膜可能包含如氫、金屬或其他元素。其中金屬成分還包含金屬碳化物。本文件涵蓋的摻雜碳基薄膜只包括以碳元素為主要成分的薄膜體系。對于碳以碳化物形式存在的含碳基薄膜，也不適用于本文件中的金屬摻雜非晶碳基薄膜(a-C:Me,a-C:H:Me)體系。2規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。ISO和IEC維護的標準化工作中使用的術語數(shù)據網址如下：用于薄膜沉積的工件或材料。沿薄膜生長面，晶粒尺寸在1nm和500nm之間的多晶。沿薄膜生長面，晶粒尺寸在0.5μm和10μm之間的多晶。4縮略語下列縮略語適用于本文件。2PVD;物理氣相沉積(PhysicalVaporDeposition)CVD:化學氣相沉積(ChemicalVaporDeposition)5沉積多種PVD和CVD方法用于沉積碳基薄膜。碳基薄膜的性能可因沉積方法的不同而不同。附錄A中列出了常用的沉積方法。根據材料組分對碳基薄膜進行分類。6.2主要的碳基薄膜類型根據不同化學鍵結合狀態(tài)，碳基薄膜分為如下幾種主要類型?！惥酆衔锾蓟∧ぃ禾荚右枣湢钚问芥I合，鏈之間互相交聯(lián)，含有大量的氫元素(類聚合物)?！B(tài)碳基薄膜：碳原子呈現(xiàn)規(guī)律性排列。晶態(tài)形式又細分為以下兩種：類聚合物碳基薄膜也可被稱為等離子體-聚合物碳基薄膜。非晶碳基薄膜也統(tǒng)稱為類金剛石薄膜(DLC薄膜)。基于上述幾種主要的碳基薄膜類型，根據6.3中的分類標準，對薄膜進一步細化分類。依據以下材料屬性和指標對碳基薄膜進一步分類：——其他元素含量。表征這些屬性的方法見附錄B。碳基薄膜包括非晶(如非晶態(tài)、類聚合物)和結晶兩種形式。如果呈結晶形式，結晶度會因晶格類型(金剛石型晶格、石墨型晶格)和晶粒尺寸(納碳基薄膜中，碳原子能夠形成不同的雜化態(tài)鍵(sp3、sp2和sp1)。基于不同的雜化態(tài)，獲得不同比例的C-C-、C=C-和C=C-鍵合結構。不同類型碳基薄膜的C-C鍵sp2與sp3比例差異顯著。碳基薄膜中，氫原子含量最高可達數(shù)十個百分點。3性。但本文件中僅涵蓋碳作為主要成分的摻雜碳基薄膜。對于碳以碳化物形式存在的含碳基薄膜也可碳基薄膜能由單層膜構成。比如，金剛石薄膜通常為單層結構。如果薄膜是由不同成分的子層薄膜疊加而成，則宜稱之為多層膜。對于整個薄膜體系的完整描述應包含每一層的薄膜。比如，非晶碳基薄膜經常以多層膜的形式沉積。薄膜中各層組分和/或性能隨厚度變化的薄膜稱為梯度薄膜。比如，非晶碳基薄膜也經常以梯度的形式沉積。本文件中不包含梯度成分變化的薄膜。表1為根據6.3對碳基薄膜進行的分類。表中列出了薄膜的名稱和簡稱。1碳基薄膜分類主要種類類聚合物碳基薄膜非晶碳基薄膜(類金剛石薄膜，DLC)晶態(tài)碳基薄膜金剛石薄膜石墨薄膜摻雜元素 不含氫含氫不摻雜摻雜不摻雜 金屬改性改性 金屬非金屬化學鍵合狀態(tài)類聚合物非晶納米晶微米晶微米晶或納米晶晶體主要C-C鍵合類型sp2或sp3,名稱類聚合物碳基薄膜無氫非晶碳基薄膜四面體無氫非晶碳基薄膜金屬摻雜無氫非晶碳基薄膜氫化非晶碳基薄膜四面體氫化非晶碳基薄膜金屬摻雜氫化非晶碳基薄膜改性氫化非晶碳基薄膜納米晶金剛石薄膜微米晶金剛石薄膜摻雜金剛石薄膜石墨薄膜簡稱 a-C:Mea-C:Hta-C:Ha-C:H:Mea-C:H:XN,F,B…) 57類聚合物碳基薄膜類聚合物碳基薄膜在組成和性能方面與聚合物相似。其氫原子的摩爾分數(shù)可高達40%以上，也可含有其他添加元素。類聚合物碳基薄膜種類繁多，本文件不予討論。8非晶碳基薄膜非晶碳基薄膜分為7種薄膜類型。命名慣例如下：——如果薄膜中摻入大量氫元素，則在薄膜名稱之前加入術語“氫化”,在簡稱后面添加字母“H”,并用冒號連接；——如果薄膜中含有大量金屬元素，則在薄膜名稱之前加入術語“金屬摻雜”,金屬元素符號作為最——如果薄膜中加入其他非金屬元素，則在薄膜名稱之前加入術語“改性”,元素符號(表1中的“X”)作為最后一部分添加到簡稱中，用冒號連接；——如果薄膜中C-C鍵主要為sp3雜化，則在薄膜名稱之前添加術語“四面體”,并在短名稱之前添加字母“t”。表2列出了7種類型非晶碳基薄膜名稱以及簡稱。表2非晶碳基薄膜的名稱和簡稱薄膜名稱簡稱無氫非晶碳基薄膜四面體無氫非晶碳基薄膜金屬摻雜無氫非晶碳基薄膜a-C:Me氫化非晶碳基薄膜a-C:H四面體氫化非晶碳基薄膜ta-C:H金屬摻雜氫化非晶碳基薄膜a-C:H:Me改性氫化非晶碳基薄膜a-C:H:[X]X為元素符號。非晶碳基薄膜通常含有大量的氫元素。對于無氫非晶碳基薄膜，在沉積過程中不會有意引入氫元素。然而，這些薄膜也可能會在無意中引入非常少量的氫。非晶碳基薄膜的硬度和耐磨性主要取決于兩個互相依賴的因素：——C-Csp3雜化鍵的含量越高，薄膜硬度越高；金屬元素可作為摻雜元素或形成碳化物的形式引入非晶碳基薄膜中。該碳化物以結晶的形式鑲嵌69金剛石薄膜目前，金剛石薄膜只能通過CVD技術沉積。金剛石薄膜中sp3雜化C-C鍵含量幾乎為100%,該薄膜也可含有極少量的氫或其他元素。金剛石薄膜以薄膜或自支撐形式存在。為了獲得自支撐CVD金剛石，一般需要沉積較厚的CVD金剛石薄膜(厚膜)。隨后去除基底，就可獲得厚度通常在300μm~金剛石薄膜可能是摻雜的或未摻雜的，其中未摻雜金剛石薄膜以納米晶或微米晶形式存在。此外，多層結構通常是由多個納米晶和微米晶層組成。表3列出了3種類型的金剛石薄膜的名稱和簡稱。表3金剛石薄膜名稱和簡稱薄膜名稱簡稱納米晶金剛石薄膜無簡稱微米晶金剛石薄膜無簡稱摻雜金剛石薄膜無簡稱石墨薄膜是指碳原子主要以sp2雜化形式存在的晶體薄膜。石墨薄膜可含有極少量的氫或其他元素。石墨烯薄膜也屬于石墨薄膜的一種，能通過CVD的方法沉積。7(資料性)沉積方法A.1通則下文列出了制備碳基薄膜的沉積方法，但是該清單并不是詳盡無遺的，同時也能通過這些方法的復合來制備碳基薄膜。A.2物理氣相沉積(PVD)A.2.1濺射方法包括磁控濺射和反應磁控濺射。A.2.2蒸發(fā)鍍方法包括無過濾電弧蒸鍍、過濾電弧蒸鍍和脈沖激光沉積(PLD)。A.3化學氣相沉積(CVD)包括熱絲化學氣相沉積、等離子體化學氣相沉積和原子層沉積(ALD)。8(資料性)表征方法B.1通則下列分析方法可用來鑒別不同碳基薄膜的類型，同一參數(shù)下制備的碳基薄膜采用不同的表征方法可能得出不同的結果。B.2.1晶態(tài)或非晶態(tài)結構表征方法包括X射線衍射(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM)。B.2.2類聚合物結構表征方法包括紅外(IR)光譜、拉曼光譜(Raman)和核磁共振譜(NMR)。共振譜(NMR)、X射線吸收近邊結構(XANES)、近邊X射線吸收精細結構(NEXAFS)和X射線光電B.4氫含量表征氫含量表征方法包括彈性反沖探測分析(ERDA)/盧瑟福背散射譜(RBS)、二次離子質譜(SIMS)、輝光放電發(fā)射光譜(GDOES)和中子反射譜(NR)。B.5添加元素含量表征方法添加元素含量表征方法包括二次離子質譜(SIMS)、電子探針微區(qū)分析(EPMA)、輝光放電發(fā)射光譜(GDOES)、X射線光電子譜(XPS)和盧瑟福背散射譜(RBS)。GB/T43104—2023/ISO20523:2017[1]VDI2840:2012Carbonfilms-basicknowledge,filmtypesandproperties.[2]KLAGESCP,BEWILOGUAK.Diamond-likecarbonfilms[M]//RIEDELR.HandbookofCeramicHardMaterials.Weinheim:Wiley,2000:623-647.[3]GRILLA.Diamond-likecarbon:stateoftheart[J].DiamondandRelatedMaterials,1999,8:428-434.[4]LIFSHITZY.Diamond-likecarbon-presentstatus[J].D1999,8:1659-1676.[5]COLLINSJL.Diamond-likecarbon(DLC)-areview[J].IndustrialDiamondReview,1998,58(3):90-92.[6]SILVASRP,ROBERTSONJ,MILNEWI,AMARATUNGAGAJ(Eds.).Amorphouscar-bon:stateoftheart[M].Cambridge:WorldScientific,1998.[7]ROBERTSONJ.Propertiesofdiamond-likecarbon[J].SurfaceandCoatingsTechnology,1992,50:185-203.[8]ROBERTSONJ.Diamond-likeamorphouscarbon[J].MaterialsScienceandEnginceringR,2002,37:129-281.[9]DISCHLERB,WILDC(Eds.).Low-pressuresyntheticdiamond[M].B