Page 27 - 《摩擦学学报》2021年第2期
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172 摩 擦 学 学 报 第 41 卷
背底斜率明显高于辐照剂量大于5 MGy样品的荧光背 这意味着伽马辐照致使C-H键发生断裂，薄膜内氢除
底斜率. 在含H碳膜内Raman光谱的荧光背底斜率与 了以H 分子形式从表面逃逸外，更多的可能以游离态
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薄膜内的H含量呈现出一定的对应关系 . 这就说明 的形式存在于薄膜缺陷位置. 图3(b)所示为原始a-
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辐照处理会引起薄膜内H含量的改变. Houska 等 的 C:H薄膜样品和经13.5 MGy剂量辐照薄膜样品中H 的
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研究证明，a-C:H薄膜内的氢除了大部分和C原子键合 TDS测试结果. 由图可知，随加热温度的升高，原始薄
外，还有一部分以游离态形式，物理吸附于薄膜空位、 膜和辐照薄膜内的H 均逐渐释放. 但辐照样品的H 初
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裂纹等缺陷位置. 为了确定a-C:H薄膜中H原子辐照前 始释放温度为203±0.5 ℃，而原始样品内H 的初始释
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后的化学状态，对辐照前后样品进行傅里叶红外光谱 放温度为259±0.5 ℃. 辐照后a-C:H薄膜样品内的H 释
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分析. 图3(a)所示为所测a-C:H薄膜的红外光谱在2 600~ 放温度低于未辐照样品，辐照薄膜内的H脱附所需的
−1
3 200 cm 范围内的透射谱. 由图可知，所有样品在 能量更低. 这也间接说明薄膜内一部分H以原子形式
−1
2 900 cm 附近存在一个明显的吸收峰. 这是CH 官能 单独存在，加热后经热振动结合为H 而优先脱附出来.
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−1
−1
团对称(2 853 cm )和不对称(2 921 cm )吸收峰以及 需要说明的是图3(b)中辐照薄膜所对应的离子电流积
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−1
CH 对称(2 876 cm )和不对称(2 955 cm )吸收峰的叠 分面积高于辐照前的面积，对应于辐照后脱附出来的
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加峰 [21-22] . 随辐照剂量的增加，该叠加峰逐渐减弱，表 H 多于辐照前薄膜的. 这可能是由于基底样品裁制过
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明经伽马辐照后，a-C:H薄膜内的CH 基团含量降低. 程中的精度误差和薄膜制备过程中的厚度误差造成.
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1 000
(a) (b) H 2
8.00E−012 Pristine
13.5 MGy 800
6.00E−012 600
Transmittance lon current/A 4.00E−012 400 Temperature/℃
1 MGy
CH 2
CH 3
(sym) (asym) Pristine 2.00E−012 Heating curve 200
5 MGy
CH 3 CH 2 10 MGy
(sym)(asym) 13.5 MGy
0.00E+000 0
2 600 2 700 2 800 2 900 3 000 3 100 3 200 0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000
Wavenumber/cm −1 Time/s
Fig. 3 FTIR-ATR spectra of a-C:H films with respect to irradiation dose(a), and TDS curves of the pristine and
irradiated a-C:H films at 13.5 MGy dose
图 3 a-C:H薄膜随辐照剂量变化的红外谱图(a)以及原始薄膜和13.5 MGy剂量辐照薄膜的TDS曲线(b)
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图4所示为未辐照a-C:H薄膜样品和经13.5 MGy 内C-H sp 键含量降低. 这就说明薄膜内sp 相对含量的
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剂 量 辐 照 薄 膜 样 品 在 距 离 表 面 约 100 nm位 置 的 增加主要是C-C sp 杂化原子的贡献. 而后续的TEM结
TEM断面图谱. 图4(a)为原始样品的透射形貌，由图可 果也直接观察到了辐照样品结构相对于原始a-C:H薄
知，原始a-C:H薄膜明显是混乱的三维无序结构和部 膜的更加无序化现象. 辐照诱发的这种a-C:H薄膜结
分局部有序的二维结构[见图4(a)中红线圈出部位]的 构的变化必然会引起力学性能和摩擦学性能的改变.
混合组成，而经辐照后，a-C:H薄膜内局部有序结构显 2.2 辐照剂量对a-C:H薄膜力学性能和摩擦学性
著减少，薄膜趋于更加无序化，如图4(b)所示. 这表明 能的影响
由于辐照的影响，a-C:H薄膜内局部有序化组织形貌 纳米压入测得辐照前后a-C:H薄膜的力学性能如
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逐渐消失. 伽马辐照使得原始a-C:H薄膜内的sp 二维 图5所示. 未辐照a-C:H薄膜的纳米硬度和弹性模量分
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结构被sp 三维空间网络结构所代替. 别为9.0和83.2 GPa. 随γ辐照剂量的增加，a-C:H薄膜
综上所述，由Raman和XPS结果可知，原始a-C:H 的纳米硬度和弹性模量呈现逐渐增加的趋势. 当辐照
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薄膜经γ辐照后薄膜内的sp 杂化原子向sp 杂化原子转 剂量达13.5 MGy时，薄膜的纳米硬度和弹性模量分别
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移，使得薄膜sp 相对含量增加. 而红外结果表明，辐照 达14.5和103.2 GPa. 图5内的插图为原始薄膜样品和
使得薄膜内C-H键发生断裂，CH 基团含量降低，薄膜 经13.5 MGy辐照样品的位移-载荷曲线. 由图5可知，
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