金属掺杂类金刚石薄膜的分子动力学和第一性原理研究
目前，金属掺杂已被证明能很好的降低薄膜中存在的残余应力，但金属掺杂影响薄膜微观结构和物化性能的物理机制尚缺乏研究。本文从原子量级角度出发，对金属掺杂DLC纳米复合薄膜的动力学生长进行了系统理论模拟研究，旨在建立薄膜物化性能和内在微结构之间的作用规律，重点阐明金属掺杂DLC残余应力降低的普适性物理机制。 本文首先采用分子动力学模拟和第一性原理计算的方法对亲碳金属Cr和弱碳金属Cu掺杂DLC薄膜进行分析。薄膜结构分析表明，随Cr、Cu含量增加薄膜中sp3-C杂化比例呈上升趋势。Cr-DLC中体积模量无明显变化；Cu-DLC中随Cu浓度的增加体积模量先上升后下降，这是由于Cu浓度增加后薄膜结构网络中产生Cu金属团簇，使Cu-DLC膜整体的体积模量降低。与纯DLC相比，Cr-DLC、Cu-DLC薄膜中残余应力均表现出随金属含量增加呈先降后升的趋势，分析结果表明扭曲的键角、键长得到松弛对薄膜残余压应力的降低有显著作用，在较高Me浓度条件下，扭曲的C-C键比例增加，形成了更多扭曲的C-Me和Me-Me结构是导致残余应力的增加的关键因素。 在上述研究的基础上，本文进一步对Cu/Cr共掺杂DLC薄膜的结构及电子性能进行了研究分析。结果表明，与一元金属掺杂相比，Cu/Cr二元共掺杂对降低DLC薄膜残余应力的效果更为明显。电子结构分析表明，Cr和C原子之间存在弱键相互作用，而Cu和C原子之间存在反键相互作用，二者产生的协同作用对碳网络模型中原子键结构畸变引起的应变能增加起到了关键作用，能够在应变能不显著增加的情况下改变原子键结构，对薄膜的结构强度及稳定性产生影响。
类金刚石薄膜;金属掺杂;应力降低;成键特性;第一性原理
上海应用技术大学
硕士
机械制造及其自动化
张而耕
2020
中文
TB383
2021-11-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）