GB∕T 43104-2023 碳基薄膜分類及命名（正式版）

碳基薄膜分類及命名2023-09-07發(fā)布2024-04-01實(shí)施 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語(yǔ)和定義 14縮略語(yǔ) 1 26分類 26.1概述 26.2主要的碳基薄膜類型 26.3分類標(biāo)準(zhǔn) 26.4薄膜結(jié)構(gòu) 36.5分類表 37類聚合物碳基薄膜 58非晶碳基薄膜 59金剛石薄膜 610石墨薄膜 6附錄A(資料性)沉積方法 7附錄B(資料性)表征方法 8參考文獻(xiàn) 9IⅢ本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件等同采用ISO20523:2017《碳基薄膜分類及命名》。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)提出。本文件由全國(guó)金屬與非金屬覆蓋層標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC57)歸口。本文件起草單位：中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所、武漢材料保護(hù)研究所有限公司、寧波新材料測(cè)試評(píng)價(jià)中心有限公司、中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所、廣東省科學(xué)院新材料研究所、中國(guó)礦業(yè)林海天。1碳基薄膜分類及命名本文件規(guī)定了碳基薄膜的分類、命名及簡(jiǎn)稱。本文件所述的碳基薄膜是以碳為主要成分，并由物理氣相沉積(PVD)或化學(xué)氣相沉積(CVD)制備所得的薄膜。碳基薄膜包括非晶碳基薄膜[又稱為類金剛石薄膜(DLC)],CVD金剛石薄膜、石墨薄膜和類聚合物碳基薄膜。本文件適用于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的碳基薄膜。本文件不適用于尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的其余種類碳基本文件只涉及碳基薄膜材料，不涉及由主體功能層和上/下附加層組成的復(fù)合涂層。薄膜中各層組分和/或性能隨厚度變化的薄膜稱為梯度薄膜。本文件涉及的碳基薄膜均指非梯度碳基薄膜可能包含如氫、金屬或其他元素。其中金屬成分還包含金屬碳化物。本文件涵蓋的摻雜碳基薄膜只包括以碳元素為主要成分的薄膜體系。對(duì)于碳以碳化物形式存在的含碳基薄膜，也不適用于本文件中的金屬摻雜非晶碳基薄膜(a-C:Me,a-C:H:Me)體系。2規(guī)范性引用文件本文件沒(méi)有規(guī)范性引用文件。3術(shù)語(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。ISO和IEC維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作中使用的術(shù)語(yǔ)數(shù)據(jù)網(wǎng)址如下：用于薄膜沉積的工件或材料。沿薄膜生長(zhǎng)面，晶粒尺寸在1nm和500nm之間的多晶。沿薄膜生長(zhǎng)面，晶粒尺寸在0.5μm和10μm之間的多晶。4縮略語(yǔ)下列縮略語(yǔ)適用于本文件。2PVD;物理氣相沉積(PhysicalVaporDeposition)CVD:化學(xué)氣相沉積(ChemicalVaporDeposition)5沉積多種PVD和CVD方法用于沉積碳基薄膜。碳基薄膜的性能可因沉積方法的不同而不同。附錄A中列出了常用的沉積方法。根據(jù)材料組分對(duì)碳基薄膜進(jìn)行分類。6.2主要的碳基薄膜類型根據(jù)不同化學(xué)鍵結(jié)合狀態(tài)，碳基薄膜分為如下幾種主要類型。——類聚合物碳基薄膜：碳原子以鏈狀形式鍵合，鏈之間互相交聯(lián)，含有大量的氫元素(類聚合物)?！B(tài)碳基薄膜：碳原子呈現(xiàn)規(guī)律性排列。晶態(tài)形式又細(xì)分為以下兩種：類聚合物碳基薄膜也可被稱為等離子體-聚合物碳基薄膜。非晶碳基薄膜也統(tǒng)稱為類金剛石薄膜(DLC薄膜)?；谏鲜鰩追N主要的碳基薄膜類型，根據(jù)6.3中的分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)薄膜進(jìn)一步細(xì)化分類。依據(jù)以下材料屬性和指標(biāo)對(duì)碳基薄膜進(jìn)一步分類：——其他元素含量。表征這些屬性的方法見(jiàn)附錄B。碳基薄膜包括非晶(如非晶態(tài)、類聚合物)和結(jié)晶兩種形式。如果呈結(jié)晶形式，結(jié)晶度會(huì)因晶格類型(金剛石型晶格、石墨型晶格)和晶粒尺寸(納碳基薄膜中，碳原子能夠形成不同的雜化態(tài)鍵(sp3、sp2和sp1)?；诓煌碾s化態(tài)，獲得不同比例的C-C-、C=C-和C=C-鍵合結(jié)構(gòu)。不同類型碳基薄膜的C-C鍵sp2與sp3比例差異顯著。碳基薄膜中，氫原子含量最高可達(dá)數(shù)十個(gè)百分點(diǎn)。3性。但本文件中僅涵蓋碳作為主要成分的摻雜碳基薄膜。對(duì)于碳以碳化物形式存在的含碳基薄膜也可碳基薄膜能由單層膜構(gòu)成。比如，金剛石薄膜通常為單層結(jié)構(gòu)。如果薄膜是由不同成分的子層薄膜疊加而成，則宜稱之為多層膜。對(duì)于整個(gè)薄膜體系的完整描述應(yīng)包含每一層的薄膜。比如，非晶碳基薄膜經(jīng)常以多層膜的形式沉積。薄膜中各層組分和/或性能隨厚度變化的薄膜稱為梯度薄膜。比如，非晶碳基薄膜也經(jīng)常以梯度的形式沉積。本文件中不包含梯度成分變化的薄膜。表1為根據(jù)6.3對(duì)碳基薄膜進(jìn)行的分類。表中列出了薄膜的名稱和簡(jiǎn)稱。1碳基薄膜分類主要種類類聚合物碳基薄膜非晶碳基薄膜(類金剛石薄膜，DLC)晶態(tài)碳基薄膜金剛石薄膜石墨薄膜摻雜元素 不含氫含氫不摻雜摻雜不摻雜 金屬改性改性 金屬非金屬化學(xué)鍵合狀態(tài)類聚合物非晶納米晶微米晶微米晶或納米晶晶體主要C-C鍵合類型sp2或sp3,名稱類聚合物碳基薄膜無(wú)氫非晶碳基薄膜四面體無(wú)氫非晶碳基薄膜金屬摻雜無(wú)氫非晶碳基薄膜氫化非晶碳基薄膜四面體氫化非晶碳基薄膜金屬摻雜氫化非晶碳基薄膜改性氫化非晶碳基薄膜納米晶金剛石薄膜微米晶金剛石薄膜摻雜金剛石薄膜石墨薄膜簡(jiǎn)稱 a-C:Mea-C:Hta-C:Ha-C:H:Mea-C:H:XN,F,B…) 57類聚合物碳基薄膜類聚合物碳基薄膜在組成和性能方面與聚合物相似。其氫原子的摩爾分?jǐn)?shù)可高達(dá)40%以上，也可含有其他添加元素。類聚合物碳基薄膜種類繁多，本文件不予討論。8非晶碳基薄膜非晶碳基薄膜分為7種薄膜類型。命名慣例如下：——如果薄膜中摻入大量氫元素，則在薄膜名稱之前加入術(shù)語(yǔ)“氫化”,在簡(jiǎn)稱后面添加字母“H”,并用冒號(hào)連接；——如果薄膜中含有大量金屬元素，則在薄膜名稱之前加入術(shù)語(yǔ)“金屬摻雜”,金屬元素符號(hào)作為最——如果薄膜中加入其他非金屬元素，則在薄膜名稱之前加入術(shù)語(yǔ)“改性”,元素符號(hào)(表1中的“X”)作為最后一部分添加到簡(jiǎn)稱中，用冒號(hào)連接；——如果薄膜中C-C鍵主要為sp3雜化，則在薄膜名稱之前添加術(shù)語(yǔ)“四面體”,并在短名稱之前添加字母“t”。表2列出了7種類型非晶碳基薄膜名稱以及簡(jiǎn)稱。表2非晶碳基薄膜的名稱和簡(jiǎn)稱薄膜名稱簡(jiǎn)稱無(wú)氫非晶碳基薄膜四面體無(wú)氫非晶碳基薄膜金屬摻雜無(wú)氫非晶碳基薄膜a-C:Me氫化非晶碳基薄膜a-C:H四面體氫化非晶碳基薄膜ta-C:H金屬摻雜氫化非晶碳基薄膜a-C:H:Me改性氫化非晶碳基薄膜a-C:H:[X]X為元素符號(hào)。非晶碳基薄膜通常含有大量的氫元素。對(duì)于無(wú)氫非晶碳基薄膜，在沉積過(guò)程中不會(huì)有意引入氫元素。然而，這些薄膜也可能會(huì)在無(wú)意中引入非常少量的氫。非晶碳基薄膜的硬度和耐磨性主要取決于兩個(gè)互相依賴的因素：——C-Csp3雜化鍵的含量越高，薄膜硬度越高；金屬元素可作為摻雜元素或形成碳化物的形式引入非晶碳基薄膜中。該碳化物以結(jié)晶的形式鑲嵌69金剛石薄膜目前，金剛石薄膜只能通過(guò)CVD技術(shù)沉積。金剛石薄膜中sp3雜化C-C鍵含量幾乎為100%,該薄膜也可含有極少量的氫或其他元素。金剛石薄膜以薄膜或自支撐形式存在。為了獲得自支撐CVD金剛石，一般需要沉積較厚的CVD金剛石薄膜(厚膜)。隨后去除基底，就可獲得厚度通常在300μm~金剛石薄膜可能是摻雜的或未摻雜的，其中未摻雜金剛石薄膜以納米晶或微米晶形式存在。此外，多層結(jié)構(gòu)通常是由多個(gè)納米晶和微米晶層組成。表3列出了3種類型的金剛石薄膜的名稱和簡(jiǎn)稱。表3金剛石薄膜名稱和簡(jiǎn)稱薄膜名稱簡(jiǎn)稱納米晶金剛石薄膜無(wú)簡(jiǎn)稱微米晶金剛石薄膜無(wú)簡(jiǎn)稱摻雜金剛石薄膜無(wú)簡(jiǎn)稱石墨薄膜是指碳原子主要以sp2雜化形式存在的晶體薄膜。石墨薄膜可含有極少量的氫或其他元素。石墨烯薄膜也屬于石墨薄膜的一種，能通過(guò)CVD的方法沉積。7(資料性)沉積方法A.1通則下文列出了制備碳基薄膜的沉積方法，但是該清單并不是詳盡無(wú)遺的，同時(shí)也能通過(guò)這些方法的復(fù)合來(lái)制備碳基薄膜。A.2物理氣相沉積(PVD)A.2.1濺射方法包括磁控濺射和反應(yīng)磁控濺射。A.2.2蒸發(fā)鍍方法包括無(wú)過(guò)濾電弧蒸鍍、過(guò)濾電弧蒸鍍和脈沖激光沉積(PLD)。A.3化學(xué)氣相沉積(CVD)包括熱絲化學(xué)氣相沉積、等離子體化學(xué)氣相沉積和原子層沉積(ALD)。8(資料性)表征方法B.1通則下列分析方法可用來(lái)鑒別不同碳基薄膜的類型，同一參數(shù)下制備的碳基薄膜采用不同的表征方法可能得出不同的結(jié)果。B.2.1晶態(tài)或非晶態(tài)結(jié)構(gòu)表征方法包括X射線衍射(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM)。B.2.2類聚合物結(jié)構(gòu)表征方法包括紅外(IR)光譜、拉曼光譜(Raman)和核磁共振譜(NMR)。共振譜(NMR)、X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)(XANES)、近邊X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(NEXAFS)和X射線光電B.4氫含量表征氫含量表征方法包括彈性反沖探測(cè)分析(ERDA)/盧瑟福背散射譜(RBS)、二次離子質(zhì)譜(SIMS)、輝光放電發(fā)射光譜(GDOES)和中子反射譜(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離子質(zhì)譜(SIMS)、電子探針微區(qū)分析(EPMA)、輝光放電發(fā)射光譜(GDOES)、X射線光電子譜(XPS)和盧瑟福背散射譜(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