（高清版）GBT 43104-2023 碳基薄膜分类及命名

碳基薄膜分类及命名2023-09-07发布2024-04-01实施 12规范性引用文件 13术语和定义 14缩略语 1 26分类 26.1概述 26.2主要的碳基薄膜类型 26.3分类标准 26.4薄膜结构 36.5分类表 37类聚合物碳基薄膜 58非晶碳基薄膜 59金刚石薄膜 610石墨薄膜 6附录A(资料性)沉积方法 7附录B(资料性)表征方法 8参考文献 9IⅢ本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件等同采用ISO20523:2017《碳基薄膜分类及命名》。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国机械工业联合会提出。本文件由全国金属与非金属覆盖层标准化技术委员会(SAC/TC57)归口。本文件起草单位：中国科学院宁波材料技术与工程研究所、武汉材料保护研究所有限公司、宁波新材料测试评价中心有限公司、中国科学院兰州化学物理研究所、广东省科学院新材料研究所、中国矿业林海天。1碳基薄膜分类及命名本文件规定了碳基薄膜的分类、命名及简称。本文件所述的碳基薄膜是以碳为主要成分，并由物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)制备所得的薄膜。碳基薄膜包括非晶碳基薄膜[又称为类金刚石薄膜(DLC)],CVD金刚石薄膜、石墨薄膜和类聚合物碳基薄膜。本文件适用于工业规模生产的碳基薄膜。本文件不适用于尚未实现工业规模生产的其余种类碳基本文件只涉及碳基薄膜材料，不涉及由主体功能层和上/下附加层组成的复合涂层。薄膜中各层组分和/或性能随厚度变化的薄膜称为梯度薄膜。本文件涉及的碳基薄膜均指非梯度碳基薄膜可能包含如氢、金属或其他元素。其中金属成分还包含金属碳化物。本文件涵盖的掺杂碳基薄膜只包括以碳元素为主要成分的薄膜体系。对于碳以碳化物形式存在的含碳基薄膜，也不适用于本文件中的金属掺杂非晶碳基薄膜(a-C:Me,a-C:H:Me)体系。2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。ISO和IEC维护的标准化工作中使用的术语数据网址如下：用于薄膜沉积的工件或材料。沿薄膜生长面，晶粒尺寸在1nm和500nm之间的多晶。沿薄膜生长面，晶粒尺寸在0.5μm和10μm之间的多晶。4缩略语下列缩略语适用于本文件。2PVD;物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition)CVD:化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition)5沉积多种PVD和CVD方法用于沉积碳基薄膜。碳基薄膜的性能可因沉积方法的不同而不同。附录A中列出了常用的沉积方法。根据材料组分对碳基薄膜进行分类。6.2主要的碳基薄膜类型根据不同化学键结合状态，碳基薄膜分为如下几种主要类型。——类聚合物碳基薄膜：碳原子以链状形式键合，链之间互相交联，含有大量的氢元素(类聚合物)。——晶态碳基薄膜：碳原子呈现规律性排列。晶态形式又细分为以下两种：类聚合物碳基薄膜也可被称为等离子体-聚合物碳基薄膜。非晶碳基薄膜也统称为类金刚石薄膜(DLC薄膜)。基于上述几种主要的碳基薄膜类型，根据6.3中的分类标准，对薄膜进一步细化分类。依据以下材料属性和指标对碳基薄膜进一步分类：——其他元素含量。表征这些属性的方法见附录B。碳基薄膜包括非晶(如非晶态、类聚合物)和结晶两种形式。如果呈结晶形式，结晶度会因晶格类型(金刚石型晶格、石墨型晶格)和晶粒尺寸(纳碳基薄膜中，碳原子能够形成不同的杂化态键(sp³、sp²和sp¹)。基于不同的杂化态，获得不同比例的C-C-、C=C-和C=C-键合结构。不同类型碳基薄膜的C-C键sp²与sp³比例差异显著。碳基薄膜中，氢原子含量最高可达数十个百分点。3性。但本文件中仅涵盖碳作为主要成分的掺杂碳基薄膜。对于碳以碳化物形式存在的含碳基薄膜也可碳基薄膜能由单层膜构成。比如，金刚石薄膜通常为单层结构。如果薄膜是由不同成分的子层薄膜叠加而成，则宜称之为多层膜。对于整个薄膜体系的完整描述应包含每一层的薄膜。比如，非晶碳基薄膜经常以多层膜的形式沉积。薄膜中各层组分和/或性能随厚度变化的薄膜称为梯度薄膜。比如，非晶碳基薄膜也经常以梯度的形式沉积。本文件中不包含梯度成分变化的薄膜。表1为根据6.3对碳基薄膜进行的分类。表中列出了薄膜的名称和简称。1碳基薄膜分类主要种类类聚合物碳基薄膜非晶碳基薄膜(类金刚石薄膜，DLC)晶态碳基薄膜金刚石薄膜石墨薄膜掺杂元素 不含氢含氢不掺杂掺杂不掺杂 金属改性改性 金属非金属化学键合状态类聚合物非晶纳米晶微米晶微米晶或纳米晶晶体主要C-C键合类型sp²或sp³,名称类聚合物碳基薄膜无氢非晶碳基薄膜四面体无氢非晶碳基薄膜金属掺杂无氢非晶碳基薄膜氢化非晶碳基薄膜四面体氢化非晶碳基薄膜金属掺杂氢化非晶碳基薄膜改性氢化非晶碳基薄膜纳米晶金刚石薄膜微米晶金刚石薄膜掺杂金刚石薄膜石墨薄膜简称 a-C:Mea-C:Hta-C:Ha-C:H:Mea-C:H:XN,F,B…) 57类聚合物碳基薄膜类聚合物碳基薄膜在组成和性能方面与聚合物相似。其氢原子的摩尔分数可高达40%以上，也可含有其他添加元素。类聚合物碳基薄膜种类繁多，本文件不予讨论。8非晶碳基薄膜非晶碳基薄膜分为7种薄膜类型。命名惯例如下：——如果薄膜中掺入大量氢元素，则在薄膜名称之前加入术语“氢化”,在简称后面添加字母“H”,并用冒号连接；——如果薄膜中含有大量金属元素，则在薄膜名称之前加入术语“金属掺杂”,金属元素符号作为最——如果薄膜中加入其他非金属元素，则在薄膜名称之前加入术语“改性”,元素符号(表1中的“X”)作为最后一部分添加到简称中，用冒号连接；——如果薄膜中C-C键主要为sp³杂化，则在薄膜名称之前添加术语“四面体”,并在短名称之前添加字母“t”。表2列出了7种类型非晶碳基薄膜名称以及简称。表2非晶碳基薄膜的名称和简称薄膜名称简称无氢非晶碳基薄膜四面体无氢非晶碳基薄膜金属掺杂无氢非晶碳基薄膜a-C:Me氢化非晶碳基薄膜a-C:H四面体氢化非晶碳基薄膜ta-C:H金属掺杂氢化非晶碳基薄膜a-C:H:Me改性氢化非晶碳基薄膜a-C:H:[X]X为元素符号。非晶碳基薄膜通常含有大量的氢元素。对于无氢非晶碳基薄膜，在沉积过程中不会有意引入氢元素。然而，这些薄膜也可能会在无意中引入非常少量的氢。非晶碳基薄膜的硬度和耐磨性主要取决于两个互相依赖的因素：——C-Csp³杂化键的含量越高，薄膜硬度越高；金属元素可作为掺杂元素或形成碳化物的形式引入非晶碳基薄膜中。该碳化物以结晶的形式镶嵌69金刚石薄膜目前，金刚石薄膜只能通过CVD技术沉积。金刚石薄膜中sp³杂化C-C键含量几乎为100%,该薄膜也可含有极少量的氢或其他元素。金刚石薄膜以薄膜或自支撑形式存在。为了获得自支撑CVD金刚石，一般需要沉积较厚的CVD金刚石薄膜(厚膜)。随后去除基底，就可获得厚度通常在300μm~金刚石薄膜可能是掺杂的或未掺杂的，其中未掺杂金刚石薄膜以纳米晶或微米晶形式存在。此外，多层结构通常是由多个纳米晶和微米晶层组成。表3列出了3种类型的金刚石薄膜的名称和简称。表3金刚石薄膜名称和简称薄膜名称简称纳米晶金刚石薄膜无简称微米晶金刚石薄膜无简称掺杂金刚石薄膜无简称石墨薄膜是指碳原子主要以sp²杂化形式存在的晶体薄膜。石墨薄膜可含有极少量的氢或其他元素。石墨烯薄膜也属于石墨薄膜的一种，能通过CVD的方法沉积。7(资料性)沉积方法A.1通则下文列出了制备碳基薄膜的沉积方法，但是该清单并不是详尽无遗的，同时也能通过这些方法的复合来制备碳基薄膜。A.2物理气相沉积(PVD)A.2.1溅射方法包括磁控溅射和反应磁控溅射。A.2.2蒸发镀方法包括无过滤电弧蒸镀、过滤电弧蒸镀和脉冲激光沉积(PLD)。A.3化学气相沉积(CVD)包括热丝化学气相沉积、等离子体化学气相沉积和原子层沉积(ALD)。8(资料性)表征方法B.1通则下列分析方法可用来鉴别不同碳基薄膜的类型，同一参数下制备的碳基薄膜采用不同的表征方法可能得出不同的结果。B.2.1晶态或非晶态结构表征方法包括X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)。B.2.2类聚合物结构表征方法包括红外(IR)光谱、拉曼光谱(Raman)和核磁共振谱(NMR)。共振谱(NMR)、X射线吸收近边结构(XANES)、近边X射线吸收精细结构(NEXAFS)和X射线光电B.4氢含量表征氢含量表征方法包括弹性反冲探测分析(ERDA)/卢瑟福背散射谱(RBS)、二次离子质谱(SIMS)、辉光放电发射光谱(GDOES)和中子反射谱(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离子质谱(SIMS)、电子探针微区分析(EPMA)、辉光放电发射光谱(GDOES)、X射线光电子谱(XPS)和卢瑟福背散射谱(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