一種類金剛石碳薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種類金剛石碳薄膜的制備方法，包括如下步驟：以離子液體溶液為原料，制備得到離子液體薄膜；將所述離子液體薄膜在惰性氣氛下進行熱處理，得到類金剛石碳薄膜。本發(fā)明提供的方案以離子液體作為碳源，拓展了熱解法制備DLC薄膜的碳源選擇。此外，本發(fā)明得到的DLC薄膜具有高硬度和高楊氏模量的特性。實驗結果表明，楊氏模量Er為11.92GPa，硬度為5.1GPa。另外，本發(fā)明得到的DLC薄膜呈無定形非晶態(tài)碳結構，滿足類金剛石的結構要求。
【專利說明】
一種類金剛石碳薄膜的制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及碳材料技術領域，特別涉及一種類金剛石碳薄膜的制備方法。
【背景技術】
[0002]類金剛石碳(Diamond-Like Carbon，簡稱DLC)薄膜是由sp3和sp2兩種雜化形式的碳構成的無定型非晶態(tài)碳膜，具有許多與金剛石薄膜相似的優(yōu)良特性，如極高的硬度、高電阻率、良好的導熱性、良好的電學性能、優(yōu)異的化學惰性、良好的生物相容性，使其在摩擦學、真空微電子學、光電子學、化學、機械工程、醫(yī)學材料等領域都有著巨大的應用前景。
[0003]DLC薄膜的制備方法主要有物理氣相沉積、化學氣相沉積和液相法。由于氣相沉積方法所需設備復雜昂貴，繞鍍性差，以及膜/基結合力差等因素，液相法制備DLC薄膜得到了快速發(fā)展。與氣相沉積技術相比，液相法具有設備簡單，條件易于控制，容易實現(xiàn)摻雜，在平整表面和不規(guī)則表面均能較大面積成膜，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產等優(yōu)點。
[0004]液相法制備DLC薄膜主要包括電化學沉積和聚合物熱解兩種。聚合物熱解法的基本原理是:首先合成一種由SP3雜化的碳原子組成的聚合物一聚碳苯，再將聚碳苯溶于四氫呋喃中，并通過旋涂或滴涂的方式將聚合物溶液涂于基底
[0005]上，然后在常壓、惰性氣氛保護下將涂有聚碳苯的基底經800?1200°C熱處理I?2小時后，便生成DLC薄膜。熱解法方法簡單，不需要復雜的設備，條件易于控制，容易實現(xiàn)摻雜，所制備的DLC薄膜具有良好的膜/基結合力。但是，目前熱解法使用的碳源很單一，聚碳苯是該方法使用的唯一碳源，由于碳源選擇的單一性而大大限制了該方法的應用。
【發(fā)明內容】
[0006]鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種類金剛石碳薄膜的制備方法。本發(fā)明提供的制備方法以離子液體作為碳源，拓展了熱解法的碳源選擇。
[0007]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術方案:
[0008]—種類金剛石碳薄膜的制備方法，包括如下步驟:
[0009]以離子液體溶液為原料，制備得到離子液體薄膜；
[0010]將所述離子液體薄膜在惰性氣氛下進行熱處理，得到類金剛石碳薄膜。
[0011 ] 優(yōu)選的，所述離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽或N-乙基吡啶六氟磷酸鹽。
[0012]優(yōu)選的，所述離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽或1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽時，所述離子液體溶液的體積濃度為20?30% ;
[0013]所述離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽或N-乙基吡啶六氟磷酸鹽時，所述離子液體溶液的質量濃度為20?30%。
[0014]優(yōu)選的，所述離子液體溶液中的溶劑為醇類溶劑或酮類溶劑。
[0015]優(yōu)選的，所述醇類溶劑為甲醇或乙醇；
[0016]所述酮類溶劑為丙酮。
[0017]優(yōu)選的，所述熱處理的溫度為400?500°C。
[0018]優(yōu)選的，所述熱處理的時間為I?2小時。
[0019]優(yōu)選的，所述惰性氣氛為氬氣氣氛。
[0020]優(yōu)選的，所述以離子液體為原料，制備得到離子液體薄膜具體為:
[0021]將離子液體溶液在基底表面涂覆成膜，得到離子液體薄膜，所述基底為單晶硅、不銹鋼片或鈦片。
[0022]優(yōu)選的，所述類金剛石碳薄膜的厚度為400?600nm。
[0023]本發(fā)明提供了一種類金剛石碳薄膜的制備方法，包括如下步驟:以離子液體溶液為原料，制備得到離子液體薄膜;將所述離子液體薄膜在惰性氣氛下進行熱處理，得到類金剛石碳薄膜。本發(fā)明提供的方案以離子液體作為碳源，拓展了熱解法制備DLC薄膜的碳源選擇。此外，本發(fā)明得到的DLC薄膜具有高硬度和高楊氏模量的特性。實驗結果表明，楊氏模量Er為11.92GPa，硬度為5.1GPa。另外，本發(fā)明得到的DLC薄膜呈無定形非晶態(tài)碳結構，滿足類金剛石的結構要求。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明實施例1得到的DLC薄膜的載荷-壓深曲線圖；
[0025]圖2為本發(fā)明實施例1得到的DLC薄膜的透射電子顯微鏡圖；
[0026]圖3為本發(fā)明實施例1得到的DLC薄膜的選區(qū)電子衍射圖。
【具體實施方式】
[0027]本發(fā)明提供了一種類金剛石碳薄膜的制備方法，包括如下步驟:
[0028]以離子液體溶液為原料，制備得到離子液體薄膜；
[0029]將所述離子液體薄膜在惰性氣氛下進行熱處理，得到類金剛石碳薄膜。
[0030]本發(fā)明以離子液體為原料，熱處理得到類金剛石碳薄膜。本發(fā)明制備得到的類金剛石碳薄膜具有高硬度和高楊氏模量的特性。
[0031 ]本發(fā)明以離子液體溶液為原料，制備得到離子液體薄膜。在本發(fā)明中，所述離子液體優(yōu)選為1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽或N-乙基吡啶六氟磷酸鹽。
[0032]本發(fā)明對上述離子液體的來源沒有特殊要求，采用本領域技術人員所熟知的上述種類的離子液體即可，具體可以為上述離子液體的市售產品。
[0033]本發(fā)明對所述離子液體溶液中的溶劑沒有特殊要求，采用本領域技術人員所熟知的可溶解離子液體的溶劑即可。在本發(fā)明中，所述溶劑優(yōu)選為醇類溶劑或酮類溶劑，更優(yōu)選為甲醇、乙醇或丙酮。本發(fā)明對所述溶劑的來源沒有特殊要求，采用本領域技術人員所熟知的所述種類的溶劑即可，具體可以為所述種類溶劑的市售產品。
[0034]在本發(fā)明中，所述離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽或1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽時，所述離子液體溶液的體積濃度為20?30%，優(yōu)選為22?28%，更優(yōu)選為24?26%。
[0035]在本發(fā)明中，所述離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽或N-乙基吡啶六氟磷酸鹽時，所述離子液體溶液的質量濃度為20?30%，優(yōu)選為22?28%，更優(yōu)選為24?26%。
[0036]本發(fā)明對所述制備得到離子液體薄膜的具體方式沒有特殊要求，采用本領域技術人員所熟知的制備薄膜的方式即可。本發(fā)明優(yōu)選將所述離子液體涂覆于基底表面，形成離子液體薄膜。在本發(fā)明中，所述涂覆優(yōu)選為旋涂。在本發(fā)明中，所述旋涂具體為:
[0037]將所述離子液體溶液在基底表面進行低速旋涂，得到初級涂膜；
[0038]在所述初級涂膜表面進行高速旋涂，得到離子液體薄膜。
[0039]本發(fā)明優(yōu)選將所述離子液體溶液滴加在所述基底表面，再進行低速旋涂，得到初級涂膜。在本發(fā)明中，所述滴加優(yōu)選用內徑為2?3mm的滴管;本發(fā)明優(yōu)選在基底上滴I?2滴離子液體溶液。在本發(fā)明中，所述低速旋涂的轉速優(yōu)選為700?900r/min，更優(yōu)選為750?850r/min，最優(yōu)選為790?810r/min;所述低速旋涂的時間優(yōu)選為20?40s，更優(yōu)選為25?35s，最優(yōu)選為29?31s。
[0040]得到初級涂膜后，本發(fā)明優(yōu)選在所述初級涂膜表面滴加離子液體溶液，再進行高速旋涂，得到離子液體薄膜。在本發(fā)明中，所述初級涂膜表面滴加離子液體溶液優(yōu)選用內徑為2?3mm;本發(fā)明優(yōu)選在初級薄膜上滴2?3滴離子液體溶液。在本發(fā)明中，所述高速旋涂的轉速優(yōu)選為1800?2200r/min，更優(yōu)選為1900?2100r/min，最優(yōu)選為1950?2050r/min;所述高速旋涂的時間優(yōu)選為50?70s，更優(yōu)選為55?65s，最優(yōu)選為59?61 S。
[0041]本發(fā)明對所述基底的材質沒有特殊要求，采用本領域技術人員所熟知的制備類金剛石碳薄膜所用基底材質均可。在本發(fā)明中，所述基底優(yōu)選為單晶硅、不銹鋼片或鈦片。
[0042]成膜后，本發(fā)明將得到的離子液體薄膜在惰性氣氛下進行熱處理，得到類金剛石碳薄膜。在本發(fā)明中，所述熱處理的溫度優(yōu)選為400?500°C，更優(yōu)選為420?480°C，最優(yōu)選為450?460 0C ；所述熱處理的時間優(yōu)選為I?2小時，具體的可以為I小時、1.2小時、1.5小時、1.8小時或2小時。
[0043]本發(fā)明對所述惰性氣體的種類沒有特殊要求，采用本領域技術人員所熟知種類的惰性氣體即可。在本發(fā)明中，所述惰性氣體優(yōu)選為氬氣。在本發(fā)明中，所述惰性氣氛的壓力優(yōu)選為常壓。
[0044]本發(fā)明制備得到的類金剛石碳薄膜的厚度優(yōu)選為400?600nm，更優(yōu)選為450?550nm，最優(yōu)選為500nm。
[0045]本發(fā)明提供了一種類金剛石碳薄膜的制備方法，包括如下步驟:以離子液體溶液為原料，制備得到離子液體薄膜;將所述離子液體薄膜在惰性氣氛下進行熱處理，得到類金剛石碳薄膜。本發(fā)明提供的方案以離子液體作為碳源，拓展了熱解法制備DLC薄膜的碳源選擇。此外，本發(fā)明得到的DLC薄膜具有高硬度和高楊氏模量的特性。實驗結果表明，楊氏模量Er為11.92GPa，硬度為5.1GPa。另外，本發(fā)明得到的DLC薄膜呈無定形非晶態(tài)碳結構，滿足類金剛石的結構要求。
[0046]下面結合實施例對本發(fā)明提供的類金剛石碳薄膜的制備方法進行詳細的說明，但是不能把它們理解為對本發(fā)明保護范圍的限定。
[0047]實施例1
[0048]將ImL 1-丁基_3_甲基咪唑四氟硼酸鹽與3mL丙酮混合，配制成體積分數(shù)為25 %的離子液體溶液。
[0049]通過旋涂的方式將離子液體溶液涂于不銹鋼基底上，所述旋涂的具體方式為:用內徑為2mm的滴管在基底上滴一滴離子液體溶液，以800r/min的轉速預涂30s;再滴3滴離子液體溶液以2000r/min的轉速高速旋涂60s。
[0050]在氬氣氣氛保護下將涂有離子液體的基底經420°C熱處理2小時，可得到DLC薄膜。[0051 ] 實施例2:
[0052]將ImL 1-乙基_3_甲基咪唑四氟硼酸鹽與4mL丙酮混合，配制成體積分數(shù)為20%的離子液體溶液。
[0053]通過旋涂的方式將離子液體溶液涂于鈦基底上，所述旋涂的具體方式為:用內徑為2mm的滴管在基底上滴一滴離子液體溶液，以800r/min的轉速預涂30s;再滴2滴離子液體溶液以2000r/min的轉速高速旋涂60s。
[0054]在氬氣氣氛保護下將涂有離子液體的基底經440°C熱處理1.2小時，可得到DLC薄膜。
[0055]實施例3:
[0056]將ImL 1-乙基_3_甲基咪唑四氟硼酸鹽與4mL乙醇混合，配制成體積分數(shù)為20%的離子液體溶液。
[0057]通過旋涂的方式將離子液體溶液涂于不銹鋼基底上，所述旋涂的具體方式為:用內徑為2mm的滴管在基底上滴一滴離子液體溶液，以700r/min的轉速預涂30s;再滴3滴離子液體溶液以1900r/min的轉速高速旋涂60s。
[0058]在氬氣氣氛保護下將涂有離子液體的基底經420°C熱處理1.5小時，可得到DLC薄膜。
[0059]實施例4:
[0060]將ImL 1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽與4mL丙酮混合，配制成體積分數(shù)為20%的離子液體溶液。
[0061]通過旋涂的方式將離子液體溶液涂于鈦基底上，所述旋涂的具體方式為:用內徑為2mm的滴管在基底上滴一滴離子液體溶液，以900r/min的轉速預涂30s;再滴3滴離子液體溶液以2100r/min的轉速高速旋涂60s。
[0062]在氬氣氣氛保護下將涂有離子液體的基底經400°C熱處理2小時，可得到DLC薄膜。
[0063]實施例5:
[0064]將Ig1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽溶于5mL甲醇中，配制成質量分數(shù)為20%的離子液體溶液。
[0065]通過旋涂的方式將離子液體溶液涂于鈦基底上，所述旋涂的具體方式為:用內徑為2mm的滴管在基底上滴一滴離子液體溶液，以850r/min的轉速預涂30s;再滴2滴離子液體溶液以1900r/min的轉速高速旋涂60s。
[0066]在氬氣氣氛保護下將涂有離子液體的基底經480°C熱處理I小時，可得到DLC薄膜。
[0067]實施例6:
[0068]將IgN-乙基吡啶六氟磷酸鹽溶于5mL甲醇中，配制成質量分數(shù)為20%的離子液體溶液。
[0069]通過旋涂的方式將離子液體溶液涂于不銹鋼基底上，所述旋涂的具體方式為:用內徑為2mm的滴管在基底上滴一滴離子液體溶液，以750r/min的轉速預涂30s;再滴3滴離子液體溶液以2000r/min的轉速高速旋涂60s。
[0070]在氬氣氣氛保護下將涂有離子液體的基底經500°C熱處理I小時，可得到DLC薄膜。[0071 ]本發(fā)明對上述實施例1?6制備的DLC薄膜分別進行納米力學性能測試。所述納米力學性能測試過程用到的儀器參數(shù)具體如下:
[0072]儀器名稱:原位納米力學測試系統(tǒng)；
[0073]儀器主要功能:材料的納米力學性能；
[0074]型號:T1-950;
[0075]生產商:美國Hysitron公司；
[0076]主要技術指標:
[0077]1.載荷:分辨率<1ηΝ，
[0078]本底噪聲<30nN;
[0079]2.位移:分辨率 <0.02nm，
[0080]本底噪聲<0.2nm。
[0081]本發(fā)明采用Oliver-Pharr方法，金剛石壓頭壓入材料表面的壓入深度的位移(壓入位移)隨所加負荷的增加而單調增加，同時，在待測樣品的彈性限度內壓頭與材料表面的接觸面積也隨之增加。在一個完整的加載-卸載測量周期中，獲得所需的壓痕數(shù)據(jù)，從而導出顯微硬度和彈性模量。
[0082]圖1為本發(fā)明實施例1得到的DLC薄膜的載荷-壓深曲線圖。根據(jù)圖1可知，最大設定載荷為35μΝ，壓入深度為50nm，楊氏模量Er為11.92GPa，硬度為5.1GPa。另外，樣品測試可得膜厚為500nm。在此類方法制得的薄膜中，硬度較大且制備方法簡單，耗時較短，有望進行大規(guī)模生產。
[0083]圖2為本發(fā)明實施例1得到的DLC薄膜的透射電子顯微鏡圖；圖3為本發(fā)明實施例1得到的DLC薄膜的選區(qū)電子衍射圖。由圖2和圖3可以看出，本發(fā)明實施例1得到的DLC薄膜呈無定形非晶態(tài)碳結構，滿足類金剛石的結構要求。
[0084]實施例2?6的檢測結果與實施例1的檢測結果基本一致，在此不再進行贅述。
[0085]由以上實施例可知，本發(fā)明提供的方案以離子液體作為碳源，拓展了熱解法制備DLC薄膜的碳源選擇。此外，實驗結果表明，本發(fā)明得到的DLC薄膜具有高硬度和高楊氏模量的特性，楊氏模量Er為11.92GPa，硬度為5.1GPa。另外，本發(fā)明得到的DLC薄膜呈無定形非晶態(tài)碳結構，滿足類金剛石的結構要求。
[0086]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種類金剛石碳薄膜的制備方法，包括如下步驟: 以離子液體溶液為原料，制備得到離子液體薄膜； 將所述離子液體薄膜在惰性氣氛下進行熱處理，得到類金剛石碳薄膜。2.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽或N-乙基吡啶六氟磷酸鹽。3.根據(jù)權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽或1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽時，所述離子液體溶液的體積濃度為20?30% ; 所述離子液體為1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽或N-乙基吡啶六氟磷酸鹽時，所述離子液體溶液的質量濃度為20?30%。4.根據(jù)權利要求1?3任意一項所述的制備方法，其特征在于，所述離子液體溶液中的溶劑為醇類溶劑或酮類溶劑。5.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述醇類溶劑為甲醇或乙醇； 所述酮類溶劑為丙酮。6.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述熱處理的溫度為400?500°C。7.根據(jù)權利要求1或6所述的制備方法，其特征在于，所述熱處理的時間為I?2小時。8.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述惰性氣氛為氬氣氣氛。9.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述以離子液體為原料，制備得到離子液體薄膜具體為: 將離子液體溶液在基底表面涂覆成膜，得到離子液體薄膜，所述基底為單晶硅、不銹鋼片或鈦片。10.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述類金剛石碳薄膜的厚度為400?600nmo
【文檔編號】C23C18/12GK105887051SQ201610207677
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月5日
【發(fā)明人】陳麗, 張明霞, 李娜
【申請人】蘭州理工大學