“钻石恒久远,一颗永流传”,相信大家都听说过这句关于钻石的广告词。新人结婚,以钻石相赠,寓意爱情天长地久,这一源于西方的传统也逐渐被我们接受。而钻石,克拉级钻戒动辄数以几万元计,足以证明宝石级钻石的珍贵。钻石也叫做金刚石、金刚钻。“没有金刚钻别揽瓷器活”,钻石除了作为珠宝首饰,它的用途也十分广泛,比如玻璃等切割、研磨,紫外、辐射探测器,光刻技术,污水处理,微纳传感器,高功率激光窗口等等。
然而,由于天然金刚石储量有限,人造金刚石成为人们工业应用的首选,但仍然存在制备温度高、成膜面积有限、基材结合性差等缺点。为此,科学家发明了几乎可以媲美金刚石的材料:类金刚石碳基(英文:Diamond-like Carbon,缩写DLC)薄膜。表1是金刚石和DLC部分性能的比较。
表1 纯金刚石与非掺杂DLC特性比较
我们发现,在很多方面DLC有着和金刚石相近的性能,这也正是DLC名字——像金刚石一样的碳——由来的主要原因。当前,DLC薄膜,由于具有优异的机械性能、良好的化学稳定性、生物相容性、独特的光学特性,已广泛应用于精密仪器、汽车电子、医疗器材、国防工业等重要领域(图1)。
图1 DLC的应用(图片来自网络)
然而,DLC薄膜是一种非晶态薄膜碳材料,从成键形式来看,其结构中不仅存在着碳元素的3种杂化键,sp、sp2、sp3(图2),同时,由于制备技术的影响,结构中还存在少量的氢元素。这几种成键形式和元素的不同组合,构成不同形态的DLC结构,从而表现出不同的性质。
图2 碳元素的三种杂化键
也因为DLC薄膜中含有上述不同形式的微结构,使得DLC薄膜可以根据微结构的含量差异而分为不同的种类(图3)。如,其中sp3杂化碳含量很高,几乎不含氢的四面体类金刚石薄膜(ta-C),其各项性能最接近于金刚石。而当薄膜中氢元素含量增加时,薄膜会逐渐演变为-CHx结构主导的类高聚物碳膜(PLC),各项性能则会出现完全不同的情况。
图3(a)DLC薄膜的三元分类图(t = tetrahedral四面体, a = amorphous无定型, C = carbon碳, H = hydrogenated氢化,PLC:polymer-like carbon)(图片来自网络)
于是,科学家发现,在DLC薄膜应用的过程中,选择合适种类的DLC薄膜显得尤为重要