掺杂元素对非晶碳膜载流摩擦行为的调控机制研究

本研究针对电气接触界面保护需求，通过DECR等离子体系统制备Si/Ti掺杂非晶碳(a-C)薄膜，揭示了Si-O/Si-OH键终端钝化和Ti诱导sp2 纳米晶对载流摩擦性能的协同优化机制，为开发高性能电接触材料提供新策略。

　　

随着电动汽车、柔性电子器件等电气产品的快速发展，电接触界面在维持机械运动与信号传输中的双重作用日益凸显。传统非晶碳(a-C)薄膜虽具有优异的机械性能，但其载流摩擦行为受限于导电性不确定性和长磨合周期。特别是在动态电接触场景中，如何通过材料设计实现快速低摩擦(μ
< 0.05)成为关键科学难题。

北京自然科学基金和国家自然科学基金支持的研究团队在《Applied Surface Science》发表的研究中，创新性地采用Si/Ti双元素掺杂策略，通过DECR(发散电子回旋共振)等离子体溅射系统制备系列掺杂a-C薄膜。研究通过XPS、Raman和TEM揭示Si掺杂强化非晶特性、Ti掺杂诱导sp²
纳米晶的差异化结构调控规律，结合原位载流摩擦测试(电流密度1 A/cm²
)发现：Si-O/Si-OH键使磨合周期缩短至0-2次，Ti-sp²
纳米晶体系在2-3次内实现μ
=0.03-0.05，较纯a-C薄膜(10-15次)提升5倍效率。

关键技术方法
采用DECR等离子体溅射系统制备薄膜，通过XPS分析化学组成，Raman和TEM表征微观结构，纳米压痕测试力学性能，四探针法测量电导率，球-盘式摩擦试验机进行载流摩擦测试，XPS深度剖析转移膜化学态演变。

Film preparation
通过调节磁控溅射靶材(纯石墨、SiC、TiC)在DECR系统中制备厚度约700 nm的薄膜，基底经三级超声清洗和氩离子刻蚀处理，工作气压0.3 Pa，偏压-100 V。

Nanostructure of doping a-C films
XPS证实Si/Ti成功掺入(Si 2p 100.7 eV，Ti 2p 454.1 eV)。Raman显示Si掺杂使ID/IG比降低至0.72，Ti掺杂升至1.38。HRTEM观察到Ti掺杂样品中存在2-5 nm的sp²
纳米晶，而Si掺杂保持完全非晶结构。

Discussion
Si原子通过终端钝化机制与氧反应形成Si-O/Si-OH键，降低表面能；Ti原子双重作用：既作为sp²
成核位点，又在载流条件下促进摩擦诱导石墨化。二者分别通过化学键重构和结构相变降低界面剪切强度。

Conclusions
研究阐明元素掺杂通过差异化路径优化载流摩擦性能：非金属Si加速表面钝化，金属Ti促进导电相形成。该工作为设计"快速磨合-低摩擦-高导电"三位一体的电接触涂层提供理论依据，特别适用于电动汽车继电器等高频电接触场景。

重要意义
首次建立掺杂元素类型-界面结构演变-载流摩擦性能的构效关系模型，突破传统a-C薄膜在电接触领域应用瓶颈。Si掺杂方案在微电子领域具有应用潜力，Ti掺杂体系适合高载流条件，研究成果被审稿人评价为"为智能电器时代界面材料设计指明新方向"。