Page 26 - 《摩擦学学报》2021年第2期

第 2 期 柴利强, 等: γ辐照对a-C: H薄膜微观组织、力学性能及摩擦学性能的影响 171

的Si N 陶瓷球. 摩擦试验条件如下：法向载荷8 N，振 为不同剂量辐照薄膜样品的Raman测试结果. 由图1(a)
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3
−1
幅5 mm，频率6 Hz. 摩擦试验后利用光学显微镜观察 可知，所有薄膜在1 000~2 000 cm 的波数范围内出现
薄膜的磨痕形貌，并根据Micro-MAX型非接触三维轮 典型的DLC拉曼光谱特征峰型. 其中，位于1 560 cm −1
−1
廓仪测量到的样品磨痕，利用公式ω=V/(N·L)计算其 左右的峰(G峰)和位于1 380 cm 左右的峰(D峰)分别
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体积磨损率，其中V代表样品的磨损体积(mm )，N是法 是由芳环或碳链结构中的sp 杂化碳-碳键的伸缩振动
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向载荷(N)，L是滑动距离(m). 和存在缺陷或取代基的sp 杂化位点的呼吸振动引起.

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由于a-C:H薄膜中同时存在sp 杂化和sp 杂化的碳原
2 结果与讨论
子，通常情况下，D峰和G峰的相对强度比值(I /I )以
D G
2.1 辐照剂量对a-C:H薄膜微观结构的影响 及G峰的位置还可以间接表征DLC薄膜中sp 杂化原
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3
[17]
a-C:H薄膜是掺杂有一定含量H元素的非晶态无 子和sp 杂化原子之间的相对比例 . 因此，对所有被
序碳链结构，因此对辐照前后薄膜内C、H原子含量及 测薄膜样品的Raman峰进行高斯-洛伦兹分峰处理，所
其化学状态的变化表征是十分有必要的. 图1(a)所示 得结果如图1(b)所示.

(a) (b)
Pristine 0.92 I D /I G 1 566
1 MGy 0.90 G peak position 1 564
Normalized intensity/a.u. I D /I G 0.88 1 562 G peak position/cm −1
5 MGy
10 MGy
13.5 MGy
1 560
0.86
PL background 0.84 1 558
0.82 1 556
200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000 0 5 10 15
Raman/cm −1 Irradiation dose/MGy
Fig. 1 Raman spectra of a-C:H films with respect to irradiation dose
图 1 a-C:H薄膜随辐照剂量变化的拉曼图谱及I D /I G 和G峰位置变化

未辐照薄膜的I /I 值和G峰位置分别为0.898和
D G
C 1s SP 2 4.7 sp 2 /sp 3
1 564 cm ，随γ辐照剂量的增加薄膜I /I 值和G峰位 4.6
−1
D G
置均逐渐下降. 经13.5 MGy辐照后，薄膜的I /I 值和 4.5
D G
−1
G峰位置分别降低为0.873和1 559 cm . 在DLC薄膜中 SP 3 sp 2 /sp 3 ratio 4.4
4.3
I /I 值的减小且G峰位置向低波数漂移的现象对应于 Intensity/a.u. 4.2 0 5 10 15
D G
[18]
3
薄膜内sp 杂化键相对含量的增加 . 这表明经伽马辐 Irradiation dose/MGy
C-O
照，a-C:H薄膜吸收一定剂量的γ光子后，薄膜内的C原
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2
子结构sp 杂化原子相对含量下降而sp 杂化原子相对
含量增加. 282 284 286 288 290 292 294
Binding energy/eV
为了进一步确定a-C:H薄膜中C原子辐照前后的
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Fig. 2 C1s XPS spectrum and sp /sp ratio of a-C:H films
化学状态，对辐照样品进行XPS检测. 图2所示为未辐 with respect to irradiation dose
照a-C:H薄膜中C 1s的测试结果. 以C峰(284.8 eV)为标 图 2 a-C:H薄膜内的C1s的XPS精细谱及其sp /sp 比随辐照
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准对XPS峰进行校准后，将C1s进行分峰拟合. 可将其 剂量的变化值
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2
分为sp (284.8eV)，sp (285.6eV)和C-O(287.1eV)峰. 图2
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内插图所示为所有薄膜样品的sp /sp 比值随γ辐照剂 sp /sp 比呈降低趋势，辐照a-C:H薄膜更加无序化. 该
量增加的曲线变化. 由图2可知，随辐照剂量增加， 结果与Raman测试结果一致.
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sp /sp 比值呈下降趋势，这也说明经伽马辐照以后，薄 对图1(a)所示的a-C:H薄膜Raman图谱进一步观
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膜 内 sp 杂 化 原 子 向 sp 杂 化 原 子 转 变 . a-C:H薄 膜 察发现，当辐照剂量小于5 MGy时，薄膜样品的荧光