氩气流速对PECVD生长类金刚石碳膜性能与组成的调控机制研究

本研究发现通过调控等离子体增强化学气相沉积（PECVD）过程中氩气流速，可显著影响类金刚石碳（DLC）薄膜的sp3/sp2杂化碳原子比例、氢含量及能带结构。氩离子注入引发的弛豫过程促使亚表层sp3向sp2转化，为精准调控DLC薄膜力学与光学性能提供了新视角。

　　

Highlight

实验方法

通过PECVD技术在单晶硅和玻璃基底上制备类金刚石碳薄膜，系统研究氩气流速对薄膜组成与性能的调控规律。采用能谱分析、扫描电镜、原子力显微镜、傅里叶变换红外光谱、椭圆偏振光谱、拉曼光谱及紫外-可见光谱进行多维度表征。

结果

拉曼光谱分析显示（图4），随着氩气流速增加，薄膜中sp³杂化碳原子比例从46.4%降至45.5%，sp²团簇尺寸由0.79 nm增至0.81 nm。通过背景荧光斜率与G峰强度比值计算得出氢浓度从28.5 at.%降至28 at.%，能带隙同步收窄（1.19→1.14 eV）。

讨论

氩离子注入引发的能量弛豫过程是导致亚表层sp³向sp²转化的关键机制。该现象揭示了等离子体环境中载气组分对碳键重构的定向调控作用，为设计具有特定光电性能的DLC功能涂层提供了理论依据。

结论

氩气流速通过改变等离子体化学环境实现对DLC薄膜sp³/sp²比例、氢含量及能带结构的连续调控，证实PECVD工艺参数与薄膜性能间的构效关系，为拓展DLC在生物医学与光电器件领域的应用奠定基础。