MoS2基多層薄膜結(jié)構(gòu)設計及其摩擦學性能研究.pdf

1、采用磁控濺射沉積技術(shù)，在單晶硅（100）基底上分別制備了兩種不同體系MoS2基多層薄膜：MoS2/DLC（類金剛石碳）多層薄膜和MoS2/MSN（Mo-S-N復合薄膜）多層薄膜，并考察了調(diào)制周期對MoS2/DLC多層膜結(jié)構(gòu)及摩擦學性能的影響，以及調(diào)制比、調(diào)制周期和氮氣流量分別對MoS2/MSN多層膜結(jié)構(gòu)及摩擦學性能的影響。利用掃描電子顯微鏡、拉曼光譜儀、X射線衍射儀、透射電子顯微鏡、納米壓痕儀分別研究了MoS2基多層薄膜形貌、微觀結(jié)構(gòu)及

2、力學性能，并利用球-盤摩擦試驗機對薄膜在大氣或真空環(huán)境下潤滑性能進行考察。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用多靶射頻磁控濺射方法，在氬氣（Ar）氣氛下濺射MoS2靶和石墨靶制備不同調(diào)制周期MoS2/DLC多層薄膜。結(jié)果表明：交替沉積 MoS2/DLC亞層可有效抑制濺射 MoS2柱狀結(jié)構(gòu)生長，薄膜結(jié)構(gòu)致密。另外，多層膜硬度隨調(diào)制周期增加而增大。與純 MoS2薄膜相比，調(diào)制周期為54 nm多層薄膜具有較好的法向承載及彈性恢復能力，其硬度

3、可達7.15 GPa。透射斷面分析表明：該多層膜層間界面不平整但周期性結(jié)構(gòu)清晰且致密，其調(diào)制周期厚度與試驗設定值基本一致。法向載荷為5N時，該多層薄膜在大氣環(huán)境（相對濕度約30%）下具有最低的摩擦系數(shù)（0.09）和最低的磨損率。⑵采用射頻/反應磁控濺射方法，在氮氣（N2）和氬氣（Ar）混合氣氛下濺射MoS2單靶，制備了系列不同調(diào)制比（tMSN:tMoS2=1:3、1:2、1:1、2:1和3:1），不同調(diào)制周期以及不同氮氣流量（0~20s

4、ccm）MoS2/MSN多層薄膜。結(jié)果表明：交替沉積 MoS2/MSN多層薄膜可有效抑制濺射 MoS2薄膜柱狀晶結(jié)構(gòu)生長，其結(jié)構(gòu)致密且呈現(xiàn)非晶態(tài)。當Ar/N2流量比設定為40/4 sccm時，MoS2/MSN多層膜硬度隨調(diào)制比（tMSN:tMoS2）增加而呈現(xiàn)先快速增大后緩慢增大的趨勢，調(diào)制比為1:1時硬度達到2.3GPa，最大達到2.44 GPa，考慮到摩擦要求選定調(diào)制比為1:1（后續(xù)所有實驗選用該比例）。固定Ar/N2流量比為40/

5、4sccm，MoS2/MSN多層膜硬度隨調(diào)制周期增加而增大，硬度變化范圍為0.9~2.38 GPa，考慮到摩擦要求選定調(diào)制周期為30nm。當調(diào)制周期固定為30nm時， MoS2/MSN多層膜硬度隨氮氣流量增加而先增大后減小的趨勢，硬度在2.26~10.47GPa間變化，氮氣流量為10sccm時薄膜硬度達到最大值10.47GPa。固定Ar/N2流量比為40/6sccm時，MoS2/MSN多層膜硬度隨調(diào)制周期增加而呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，硬

6、度在1.06~4.13GPa間變化，調(diào)制周期為30nm多層薄膜的硬度和彈性恢復量均達到最大，分別為4.13 GPa和41.0%。⑶摩擦結(jié)果分析表明：在高真空（1.3×10-3 Pa）環(huán)境和法向載荷為3 N下，調(diào)制周期為18~30 nm（調(diào)制比為1:1）和氮氣流量為4~10 sccm時，MoS2/MSN 多層薄膜表現(xiàn)出低的摩擦系數(shù)（小于0.035）、磨損率（小于1.0×10-6 mm3/(N·m)）和長的耐磨壽命。特別地，調(diào)制周