综述：含SiOx的氢化非晶碳涂层及其多功能特性的综合综述

《Progress in Surface Science》：Comprehensive review of hydrogenated amorphous carbon coatings with SiO x and their multifunctional properties

　　

摘要

本综述研究了掺有硅和氧的氢化非晶碳涂层（a-C:H:SiO_x），重点阐述了合成方法、涂层结构特征及多功能特性。将硅引入类金刚石碳基体中，可显著降低内应力，提升热稳定性和机械性能。添加SiO_x可实现沉积更厚且附着力更好的涂层。本文评估了多种等离子体辅助化学气相沉积技术——包括直流等离子体增强化学气相沉积、射频等离子体增强化学气相沉积、热丝等离子体增强化学气相沉积以及闭式漂移离子束源——对涂层形貌、相组成和功能性行为的影响。从SiO_x浓度和沉积参数的角度，讨论了具有较低摩擦系数和磨损率的a-C:H:SiO_x涂层的摩擦学性能。随着SiO_x浓度增加，涂层的抗腐蚀性能显著提高，这归因于孔隙率的降低和表面耐磨性的增强。光学研究表明，该类涂层在可见光和红外光谱范围内具有可调折射率和高透明度。这些特性使a-C:H:SiO_x涂层成为不锈钢、硅和锗等多种基底上防护和防反射应用的理想候选材料。本综述重点强调了SiO_x浓度与沉积工艺优化的协同效应对a-C:H:SiO_x涂层性能和表现的影响，推动了其在工业、生物医学和光学领域的应用发展。

引言

提升表面性能对于推进包括微电子和生物医学工程在内的多个领域技术至关重要。表面改性所采用的主要技术包括薄膜和涂层沉积，以及离子、电子和等离子体处理[1]、[2]。基底表面的涂层可显著改变其化学、机械、摩擦学和生物特性。这种定制表面特性的能力使涂层在多种应用中发挥关键作用，例如增强微电子和生物医学器件中材料的耐久性和功能性。通过精确控制涂层成分和结构，可实现所需的表面行为，同时保持基底的本体性能。

碳是一种开发先进涂层的高性能元素，因为它可以通过原子轨道的不同杂化方式（sp、sp²、sp³）形成多种同素异形体。碳基材料表现出广泛的光谱特性——可以是晶态或非晶态、坚硬或柔软、光学透明或不透明，其电导率可从绝缘体到高导电体不等。其多样化的结构形式包括金刚石、石墨、石墨烯、富勒烯和碳炔，每种都具有独特的电子和机械行为。

特别值得关注的是由sp²和sp³杂化碳原子混合组成的碳涂层，统称为类金刚石碳（DLC）涂层。DLC涂层以高sp³杂化比例为特征，具有卓越的机械性能——极高的硬度、低摩擦系数和磨损率，以及良好的生物相容性[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。由于机械、摩擦学和生物相容性的独特结合，DLC涂层被广泛用作汽车、航空航天、生物医学和微电子领域的防护表面层。

然而，某些固有局限性阻碍了传统DLC涂层的有效实际应用。高内应力（通常在3–10 GPa范围内）可能导致涂层从基底上剥落。此外，DLC涂层表现出有限的热稳定性，在200–250 °C时机械和摩擦学性能明显退化[9]、[10]。这些不足限制了DLC涂层在高温和机械耐久性要求严格的恶劣环境中的应用。应对这些挑战已成为关键研究领域。一种有前景的策略是将各种元素或化合物引入非晶碳基体（a-C）或氢化非晶碳基体（a-C:H）中，从而修饰结构并缓解内应力。二氧化硅（SiO_x）是一种有效的添加剂，用于增强涂层性能和表现。通过在碳基体中掺入硅和氧形成的涂层被归类为掺硅和氧的氢化非晶碳涂层（a-C:H:SiO_x）。非晶a-C:H:SiO_x涂层相较于传统DLC涂层表现出显著改进。值得注意的是，这些涂层具有更低的内应力和相对较高的10–20 GPa硬度。它们还表现出更低的0.02–0.2摩擦系数、明显降低的<10^?6 mm³·N^?1·m^?1磨损率，以及增强的热降解抗性，可在更高的400–450 °C温度下保持稳定[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。这些涂层还表现出卓越的生物相容性和抗菌性能，减少血小板粘附和炎症反应，这对于医学植入物和医疗器械至关重要[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。

降低的内应力和增强的附着力使a-C:H:SiO_x涂层不仅更加耐久，而且在各种高性能应用中具有广泛的适应性。机械、摩擦学、生物和化学性能的综合特性推动了该类涂层在光学、精密工程和医学等多个行业的广泛应用，在这些领域中严格的表面性能要求至关重要。鉴于沉积方法方面的最新进展以及支持a-C:H:SiO_x涂层性能提升的日益充分的证据，现在是对它们最新制备技术、性能和实际应用进行全面综述的时候了。本文综述了该领域的最新进展，重点在于a-C:H:SiO_x涂层的沉积方法、结构特征、功能特性以及未来发展的潜在方向。

章节摘要

沉积方法

沉积a-C:H:SiO_x涂层有多种方法可供选择。技术选择和工艺参数对涂层结构、组成和性能具有显著影响。以下是使用化学气相沉积（CVD）方法沉积a-C:H:SiO_x涂层概述。

等离子体增强化学气相沉积（PECVD）利用等离子体加速化学气相反应，使在相对较低的基底温度下形成均匀涂层成为可能。直流

机械性能

使用(C₂H₅O)₄Si（四乙氧基硅烷）作为前驱体，通过直流PECVD方法在(100) Si基底上沉积了a-C:H:SiO_x涂层[32]。该研究探讨了SiO_x含量变化对涂层结构、机械和光学性能的影响。通过调节四乙氧基硅烷流量系统地改变硅浓度。

据报道，当硅含量达到约13 at.%时，主要以单一硅氧烷相（O–Si–C₂）存在

结论

掺有硅和氧的氢化非晶碳涂层（a-C:H:SiO_x）代表了相较于传统类金刚石碳膜的显著进步。硅和氧的引入提高了机械强度，降低了内应力（0.1–1.5 GPa），并增强了热稳定性（400–500 °C），使沉积更厚且附着力更好的涂层成为可能。这些改进对于需要在机械和热载荷下保持耐久性的应用至关重要。

实验

CRediT作者贡献声明

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本研究在俄罗斯科学基金会资助下完成，项目编号：25-79-31008，https://rscf.ru/project/25-79-31008。

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