采用磁控濺射法交替濺射WS2和石墨靶制備周期為4²3 nm的WSx/a-C納米多層膜。采用掃描電鏡（SEM）、能譜儀（EDS）、X射線衍射儀（XRD）和X射線光電子譜（XPS）等分析薄膜的組織結(jié)構和元素的化學價態(tài);采用納米壓痕儀、涂層附著力劃痕儀和球盤式摩擦磨損試驗機測試薄膜的硬度、結(jié)合力和在潮濕大氣下（相對濕度70%）的摩擦磨損特性。結(jié)果表明:多層膜結(jié)構致密,表面平整。a-C的加入改變WS2的結(jié)晶狀態(tài),多層膜為微晶或非晶結(jié)構;隨著調(diào)制周期的增大,多層膜的硫與鎢摩爾比逐漸降低并趨于穩(wěn)定（約為1.32）,其硬度稍有上升,而結(jié)合力明顯降低,摩擦因數(shù)由0.32降至0.26,而磨損率逐漸上升但顯著低于純WSx膜的。調(diào)制周期為4 nm的多層膜的耐磨性能最佳,磨損率約為1.03×10-13 m3·N-1·m-1。 

【文章來源】：中國有色金屬學報. 2016,26(01)北大核心

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薄膜的表面和橫截面形貌

98中國有色金屬學報2016年1月圖1薄膜的表面和橫截面形貌Fig.1SEMimagesshowingsurfacemorphologies((a1),(a2),(a3),(a4))andcross-sectionalmorphologies((b1),(b2),(b3),(b4)):(a1),(b1)WSx;(a2),(b2)Film1;(a3),(b3)Film5;(a4),(b4)a-C層膜1調(diào)制周期小，WSx層與a-C層的界面不明顯，其結(jié)構接近于復合膜。根據(jù)多層膜的調(diào)制周期個數(shù)、總膜厚以及橫截面背散射電鏡照片(圖略)，可初略算出多層膜樣品的調(diào)制周期大小，其結(jié)果如表1所示，與設計值基本一致。圖2所示為薄膜的XRD譜。由圖2可以看到，純WSx膜在2θ=34°左右出現(xiàn)了明顯的(101)衍射峰，在62°左右出現(xiàn)了較弱的(112)衍射峰，未出現(xiàn)明顯的圖2薄膜的XRD譜Fig.2XRDpatternsoffilms(002)衍射峰，這說明純WSx膜的(002)晶面與薄膜表面垂直，屬于Ⅰ型WS2膜[18]；而a-C膜、多層膜1和5均無明顯的衍射峰，意味著這些薄膜均為微晶或非晶態(tài)結(jié)構，因此，可以推斷a-C的加入改變了多層膜中WSx的結(jié)晶狀態(tài)或生長方式。圖3所示為多層膜1表面各元素的電子結(jié)合能譜圖。圖3(a)中C1s譜圖可用284.5、285.2、286.3和288.7eV4個峰進行擬合[19]，其中284.5eV對應于sp2C—C鍵，285.2eV對應于sp3C—C鍵，286.3eV和288.7eV對應于C—O鍵、C=O鍵，并未出現(xiàn)與WC所對應的結(jié)合能峰位(282.8eV)，因此，可以推斷薄膜表面未形成WC相，主要原因是濺射時基體溫度低，無法提供足夠能量。由圖3(b)可知，多層膜中的W元素主要以WS2(32.1eV、34.2eV)、WOxSy(33.0eV、35.1eV)和WO3(35.3eV、37.4eV)的形式存在[20]，其中WOxSy對應于WS2發(fā)生部分氧化時的產(chǎn)物。圖3(c)中S2p電子結(jié)合能譜及擬合曲線表明，多層膜中的S元素主要以界面吸附S(161.4eV、162

第26卷第1期楊芳兒，等：不同調(diào)制周期WSx/a-C多層膜的組織結(jié)構及摩擦學特性99圖3多層膜1表面各元素的結(jié)合能Fig.3BindingenergyofelementsinFilm1素并不以單質(zhì)W的形式出現(xiàn)，而是以微晶或非晶WO3相存在。這主要是由于W元素及WS2極易被氧化所致(包括鍍膜過程和暴露在大氣中)，從而在多層膜表面出現(xiàn)較多WO3相。此外，由于a-C層的加入，多層膜中的S元素出現(xiàn)了界面吸附結(jié)合方式，這在一定程度上說明薄膜中WS2的結(jié)晶狀態(tài)較差。有限證據(jù)表明，沉積在WSx層之上的a-C層，其結(jié)構與純a-C膜相似，未發(fā)生顯著變化。2.2薄膜的摩擦磨損性能圖4所示為薄膜的硬度和結(jié)合力變化趨勢，純WSx膜的硬度最低(0.42GPa)，a-C膜為5.11GPa，而多層膜的硬度均超過a-C膜的，且遠高于混合法則的計算值，這說明多層膜中出現(xiàn)了明顯的納米強化效應。此外，隨著調(diào)制周期的增大，多層膜的硬度出現(xiàn)少許升高，這可能與薄膜的致密度改善有關；而多層膜的結(jié)合力則呈明顯下降趨勢，多層膜1的結(jié)合力最佳，本文作者認為這是多層膜中界面強化作用逐漸減弱的結(jié)果。圖5所示為薄膜經(jīng)過摩擦磨損測試后的磨痕形貌。對比可知，純WSx膜表面磨痕較深，且有大量片狀磨屑散落在軌道兩側(cè)，但薄膜并未被磨穿；多層膜1表面基本完好，部分磨屑遭到對磨球碾壓而粘附于薄膜表面，劃痕比較明顯；而多層膜5已經(jīng)磨穿，在軌道中心出現(xiàn)了寬度較大的Si基底磨損區(qū)且表面粗糙。a-C膜的表面出現(xiàn)了部分破損，一般說來a-C膜在潮濕空氣中的耐磨性能優(yōu)良，被磨穿的主要原因是與基體的結(jié)合力相對較差(見圖4)，薄膜發(fā)生了部分剝圖4薄膜的硬度和結(jié)合力Fig.4Hardnessandadhesiontosubstrateoffilms

【參考文獻】：
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本文編號：2967021