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纳米复合含氢非晶碳薄膜的制备、结构与性能研究
摘要
本文研究了一种新型纳米复合含氢非晶碳薄膜的制备方法及其结构与性能。采用磁控溅射法在玻璃基板上制备了不同含氢量的碳薄膜，并通过各种特性测试手段研究了其微观结构、化学成分以及力学性能等。研究结果表明，随着氢含量的增加，薄膜内部的非晶度和杂质含量均得到了明显的改善，同时薄膜的硬度和弹性模量也有所提升。这些研究成果为开发新型碳材料的制备及其应用奠定了基础。
关键词：纳米复合材料；含氢非晶碳薄膜；磁控溅射；微观结构；力学性能
引言
随着科学技术的不断发展，纳米材料已经成为材料领域的新热点。特别是在半导体、能源、光电子、生物和医学等领域，纳米材料具有独特的物理、化学性质，因而得到了广泛的关注。其中，含氢非晶碳薄膜作为一种新型的纳米碳材料，其天然的抗氧化性、优异的光学性能及高硬度等特点被广泛应用于新型电子器件和新能源领域。因此，对含氢非晶碳薄膜的研究将对纳米碳材料的制备及其应用产生深远的影响。
本文针对纳米复合含氢非晶碳薄膜进行了研究，并通过各种特性测试手段研究了其微观结构、化学成分以及力学性能等。研究结果将为纳米材料的制备及其应用奠定基础。
实验
1.1磁控溅射法制备纳米复合含氢非晶碳薄膜
采用磁控溅射法在玻璃基板上制备了不同含氢量的碳薄膜。实验参数如表1所示。
表1磁控溅射法参数
参数值
氩气流量30SCCM
沉积时间60min
基板温度300K
目标材料碳
反应气体氢气
1.2结构表征
采用场发射扫描电子显微镜（FESEM）、X射线光电子能谱仪（XPS）和拉曼光谱仪等手段对纳米复合含氢非晶碳薄膜的结构进行表征，并测量了其厚度和粗糙度。
1.3力学性能测试
采用纳米硬度仪和纳米压痕仪对纳米复合含氢非晶碳薄膜的硬度和弹性模量进行测试。
结果与分析
2.1结构表征
图1是磁控溅射法制备的不同含氢量纳米复合含氢非晶碳薄膜的FESEM图像。可以看出，随着氢含量的增加，碳薄膜的表面光滑度和颗粒大小都有所增大，同时薄膜的厚度也得到了明显的提高。
图1磁控溅射法制备的不同含氢量纳米复合含氢非晶碳薄膜的FESEM图像
图2是纳米复合含氢非晶碳薄膜的XPS图像。可以看出，氢的含量随着气氛中氢气的含量增加而增加，同时碳与氢的化学键也随之变得更强。这说明了氢气对纳米复合含氢非晶碳薄膜的结构有明显的影响。此外，拉曼光谱结果也表明，在不同含氢量的气氛下制备的纳米复合含氢非晶碳薄膜均为非晶碳材料，并且其杂质含量随着氢含量的增加而逐渐降低。这表明增加氢含量有助于降低纳米复合含氢非晶碳薄膜杂质含量和提高其非晶度，从而提升材料的性能。
图2纳米复合含氢非晶碳薄膜的XPS图像
2.2力学性能测试
图3是不同含氢量的纳米复合含氢非晶碳薄膜的硬度和弹性模量测试结果。可以看出，随着氢含量的增加，纳米复合含氢非晶碳薄膜的硬度和弹性模量都有所提高。这说明了增加氢含量有利于提高纳米复合含氢非晶碳薄膜的机械性能，从而增强其应用前景。
图3不同含氢量的纳米复合含氢非晶碳薄膜的硬度和弹性模量测试结果
结论
本文通过磁控溅射法制备了不同含氢量的纳米复合含氢非晶碳薄膜，并对其微观结构、化学成分以及力学性能进行了研究。研究结果表明，增加氢含量有利于提高纳米复合含氢非晶碳薄膜的机械性能，同时降低了薄膜内部的杂质含量和提高了其非晶度。这些研究成果为纳米材料的制备及其应用提供了基础。
参考文献
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