專利名稱：包含了注入的氧合氣體的膜及其制備方法
包含了注入的氧合氣體的膜及其制備方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及碳膜，并且更確切地涉及用氧合氣體活化過的碳膜。碳膜被用于多種商業(yè)上重要的應(yīng)用中。碳由于它的低成本、耐腐蝕性、相對的化學(xué)惰性、抵抗特性、以及容易處理而有吸引力。碳膜電阻器常用于電子器件中。這些電阻器包含涂覆有一種碳膜的陶瓷桿。該膜是以變化的比例混合的碳粉與陶瓷粉(典型地是氧化鋁)的一種復(fù)合物。該碳膜通過機器被“螺旋鋪開”以便實現(xiàn)一種所希望的遍布該桿的阻力。加入金屬引線以及端帽，并用一個絕緣涂層覆蓋該電阻器。通過改變碳粉與陶瓷粉之比以及“螺旋化”的程度，可以得到不同的電阻值。碳膜已經(jīng)被用作金屬蝕刻的圖案掩模。例如，美國專利號6，939，808 (2005年9月 6日發(fā)布)建議將一個光致抗蝕劑層與一個無定形碳層組合使用來將一個金屬層圖案化。碳膜還已經(jīng)在用于生物分子的檢測和定量的探針中使用。例如，碳膜電阻器電極已經(jīng)在用于基于氧化酶的酶類的生物傳感器中用作電極轉(zhuǎn)換器。(DeLUCa，S.et al., Talanta,68(2) 171-178(1995))。碳膜還已用于通過電子束蒸發(fā)到摻雜過的硅上來制備薄膜電極(Blackstock， J.J.et al.，Anal. Chem. 76(9) :2544-2552 (2004))。還已經(jīng)報告了一種聚偏二氯乙烯和聚氯乙烯的共聚物的熱降解來制造碳膜電極(美國專利號5，993，969，1999年11月30日發(fā)布)。已報告了碳膜在航空器起落裝置、襟翼導(dǎo)軌以及其他疲勞敏感部件中是對于鋼和鈦合金有用的涂層(Sundaram，V. S.，Surface and Coatings Tech. 201 (6) 2707-2711 (2006))。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對于這些航空器部件，碳有利地替代了硬質(zhì)鉻鍍層。發(fā)現(xiàn)這些碳膜賦予了改進的磨損及疲勞特性、并且在環(huán)境上和工作場所安全性上是更有吸引力的。碳膜還已經(jīng)作為眼鏡的涂層進行了描述。美國專利號5，125，808 (1992年8月4 日發(fā)布)以及5，沈8，217 (1993年12月7日發(fā)布)討論了使用一種類金剛石碳層以及一個中間的“夾層”來涂覆一個基底。發(fā)明背景的部分提及了 類金剛石碳的涂層僅在該涂層與母基底的附著很優(yōu)異時才會對基底賦予改進的磨損特性。背景部分進一步提及了，“用來涂覆玻璃基底的最明顯且常見的途徑是將該DLC涂層直接施加在一個干凈的玻璃表面上。然而，這種途徑經(jīng)常導(dǎo)致一種展現(xiàn)出差的粘附性并因此展現(xiàn)差的耐磨損性的DLC涂層。DLC涂層典型地是處于顯著的壓縮應(yīng)力下”。該專利討論了為了改進粘附性而在該DLC層與基底之間使用至少一個夾層。僅含有碳的膜趨于是硬且脆的。為了使開裂最小化，已使用添加劑來調(diào)整這些膜的物理特性。PCT公開文件W0/2006/011279 (2006年2月2日公開)建議使用一種含氫的碳膜來使膜從基底上的剝離最小化。美國專利號4，647，947(1987年3月3日發(fā)布)描述了一種基底以及一種吸收電磁能的層。該層可以包含低熔點的金屬，如碲、銻、錫、鉍、鋅、或鉛。該層還可以包含在預(yù)定溫度之下的溫度時處于氣態(tài)的多種元素。能量的施加致使該記錄層被提升，從而形成一個隆起。美國專利號5，045，165(1991年9月3日發(fā)布)給出了在氫的存在下將一種碳膜濺射到一個磁盤上。得到的膜賦予了增強的耐磨性。美國專利號6，528，115 Bl (2003年3月4日發(fā)布)給出了在一種基底上的硬質(zhì)碳薄膜。該膜具有一種分等級的結(jié)構(gòu)，其中，該膜中的SP2與SP3碳-碳鍵合之比在其厚度方向上從基底界面向該薄膜表面下降。在一個真空室中使用氬氣、甲烷、和氫氣來生產(chǎn)該碳薄膜。美國專利號6，753，042 Bl (2004年6月22日發(fā)布)建議將一種耐磨的并且低摩擦的硬質(zhì)無規(guī)則的、類金剛石碳的涂層直接施用在一個磁性記錄介質(zhì)傳感器的外表面上。該涂層是使用真空脈沖電弧碳濺射以及離子束表面處理來施加的。美國專利公開號2007/0098993 Al (2007年3月3日公開)給出了一種多層堆疊式的類金剛石膜。每個層包含碳、氫、以及一種金屬。這些層是通過一種共濺射工藝使用氫氣、甲烷或乙烷、以及惰性氣體而制備的。美國專利公開號2008/0053819 Al (2008年3月6日公開)給出了一種碳薄膜以用作一種薄膜電致發(fā)光器件的電極。該膜是使用一種低溫下的閉磁場非平衡磁控濺射工藝生產(chǎn)的。濺射是用氬氣進行的，這允許制備缺少氫的膜。氫被描述為對碳膜賦予了絕緣特性，并且因此它的結(jié)合應(yīng)該避免。盡管有迄今為止的努力，但對于展現(xiàn)出相對于傳統(tǒng)碳膜而言增強的或不同的特性的新的碳膜仍存在著一種需要。發(fā)明概述含至少一種注入的氧合氣體的碳膜相對于缺少該氧合氣體的碳膜展示了改進的耐久性和光學(xué)特性。通過調(diào)節(jié)氣體的濃度，可以容易地實現(xiàn)所希望的特性。


以下這些圖形成了本說明書的一部分并且被包括在內(nèi)用以進一步例證本發(fā)明的某些方面。參考這些圖中的一個或多個、結(jié)合在此呈現(xiàn)的具體實施方案的詳細(xì)說明可以更好地理解本發(fā)明。圖1示出了隨著氧合氣體二氧化碳的濃度的增加所制備的碳膜的光密度的減小 (或光學(xué)透明度的增加)。χ軸是波長，單位為nm。y軸是單位厚度的吸光度(Ι/nm)。用正方形標(biāo)志指示的這條線代表(ν/ν)的二氧化碳。用菱形標(biāo)志指示的這條線代表2% (ν/ ν)的二氧化碳。用圓形標(biāo)志指示的這條線代表4% (ν/ν)的二氧化碳。圖2示出了對于石英(頂部，相對平的曲線)和涂覆有一個注入型碳層的石英(底部，傾斜曲線)而言透射率(y軸)對波長(單位nm，x軸)的一個曲線圖。發(fā)明詳細(xì)說明盡管組合物和方法是以“包括”不同組分或步驟的方式來描述的(解釋為是指“包括但不限于”)，但這些組合物和方法還可以“主要由”或者“由這些不同組分和步驟組成”， 這種術(shù)語應(yīng)解釋為限定了實質(zhì)上封閉式的成員組。材料
4
本發(fā)明的一個實施方案是針對包括至少一個基底以及至少一個涂覆層的多種涂覆的物體。該基底和涂覆層可以彼此直接接觸，或者在該基底與該涂覆層之間可以存在一個或多個插入層。該基底總體上可以是任何材料和形狀的。該基底典型地是一種固體、但可以是一種凝膠或其他半固體的材料。該基底可以是一種金屬、聚合物、礦物、陶瓷、或其他的材料。 該基底可以是平坦的、彎曲的、圓的、或其他規(guī)則或不規(guī)則的形狀。該基底可以具有任何尺寸和形狀。該基底可以是非常薄的(例如，一個或幾個微米)、或者可以是非常厚的(厚度為幾米或更大)?；旧?，可以使用任何基底將該涂覆層施用其上?；椎木唧w例子包括電容器、電阻器、電極、航空器起落裝置、航空器襟翼導(dǎo)軌、 航空器部件、以及聚碳酸酯的盤?；椎钠渌影ㄊ直砻?、電池、眼鏡、鏡片、剃須刀刃片、刀刃片、牙科儀器、醫(yī)學(xué)植入物、外科儀器、支架、骨鋸、廚房用具、珠寶、門手柄、釘子、螺釘、螺栓、螺母、鉆頭尖、鋸片、一般家用硬件、電絕緣體、船只推進器、船只推進器軸、船只和海洋產(chǎn)品、引擎、小汽車部件、車盤部件、衛(wèi)星、以及衛(wèi)星部件。該涂覆層可以完全環(huán)繞該基底、或者可以覆蓋該基底的一部分。該涂覆層在厚度上可以是均一的或可變的，盡管通常優(yōu)選的是一個均一的層。該涂覆層厚度可以是跨越整個或一部分基底從薄到厚的一個梯度。該涂覆層可以包括元素碳(C)、無定形碳、類金剛石碳、碳化硅、碳化硼、氮化硼、 硅、非晶態(tài)硅、鍺、非晶態(tài)鍺、或它們的組合。當(dāng)前優(yōu)選的是該涂覆層包括無定形碳。無定形碳是一種穩(wěn)定的物質(zhì)，它要求可觀量值的活化能來改變它的光學(xué)特性。這個特征使得無定形碳不被典型的熱的及化學(xué)的動力學(xué)老化過程所影響。無定形碳還具有優(yōu)異的化學(xué)耐受性、以及高程度的石墨(SP2)類型的碳。該涂覆層還包括至少一種注入該結(jié)構(gòu)之中的氧合氣體。術(shù)語“注入的”是指至少一種氣體被共價地鍵合、捕獲、或吸附到該無定形碳或其他材料之中或之上。這種注入的氣體改進了該涂覆層的粘附性。該注入的氣體還使得該涂覆層以一種更加化學(xué)上松弛的狀態(tài)而沉積，從而減少了該涂覆層開裂或從基底上剝離的機會。在用一種適當(dāng)?shù)哪芰吭刺幚砗螅幚磉^的涂覆層可以分解并釋放出氣體。釋放出的這種氣體會膨脹并可以產(chǎn)生一個隆起或燒蝕位點，由此在處理過的位點與未處理過的位點之間產(chǎn)生了一種可檢測的光學(xué)反差。該涂覆層可以被注入一種氣體、或者可以被注入兩種或多種不同的氣體。術(shù)語“氧合氣體”是指分子化學(xué)式包括至少一個氧原子的一種氣體。此類氣體的例子包括一氧化碳(Co)、二氧化碳(CO2)、分子氧(O2)、臭氧(O3)、氮氧化物(NOx)、硫氧化物 (SOx)、以及它們的混合物。據(jù)信，氧在被加熱至極端溫度時增加了該涂覆層的揮發(fā)性。還據(jù)信，氧在正常條件下使該涂覆層穩(wěn)定，尤其是就碳膜中的殘余應(yīng)力而言。據(jù)信，這種穩(wěn)定化會在氧氣(當(dāng)共價地鍵合至碳上時)氧化該碳從而產(chǎn)生一種非常不具反應(yīng)性的化合物時發(fā)生。該涂覆層可以被注入一種氧合氣體、或者可以被注入兩種或多種不同的氧合氣體。該涂覆層的透明度(或不透明度)可以通過調(diào)節(jié)在該涂覆層的制備中使用的氣體的濃度來進行修改。本發(fā)明的諸位發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)更高濃度的氣體導(dǎo)致該涂覆層更高的透明度。所結(jié)合的氣體可以使用多種方法如XPS來檢測和定量。得到的涂覆層與另外以相同方式制備但在制備過程中缺少該添加氣體的涂覆層相比具有更高濃度的氧合氣體。
5
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該氣體輔助了該涂覆層的燒蝕。以下內(nèi)容是對當(dāng)前相信增強了對一種光盤(制備為帶有涂覆層)的燒蝕的機理進行的討論。該確切的機理不應(yīng)理解為限制了本發(fā)明的實施方案。在寫入過程中，由寫入激光產(chǎn)生的極端熱量破壞了該氣體與碳原子之間的這些正常時強且穩(wěn)定的共價鍵。這種氣體加熱和分離過程引起了一種爆炸，從而從該涂覆層中驅(qū)散了該氣體以及無定形碳兩者。這種氣體驅(qū)散具有以下組合效果從光盤中燒蝕該涂覆層或?qū)⒃撏扛矊拥膶懭氩糠钟谰眯薷臑橄啾任磳懭氲耐扛矊訁^(qū)域是對讀入激光顯著更不透明的或更透明的(這取決于該系統(tǒng)設(shè)計)。該涂覆層的寫入及未寫入的部分均是極其不反應(yīng)的(未被典型的熱的及化學(xué)的動力學(xué)老化工藝所影響)并且是光學(xué)上不同的。此外，從注入了氣體到無氣體的狀態(tài)的轉(zhuǎn)變要求顯著的活化能，從而防止了通過自然的化學(xué)動力學(xué)老化而發(fā)生改變。以一種類似的方式，可以使用激光或其他能量的應(yīng)用來將碳膜從其他基底中燒蝕。該膜的燒蝕可以用來產(chǎn)生一個掩模來引導(dǎo)為其他目的而將另外的材料施用在該基底上，這些目的是通過圖案化或去除該膜的一些而達到的。該涂覆層一般可以是任何厚度的。用一個涂覆層涂覆一個基底可以相對于缺少該涂覆層的一種在其他方面相同的基底而言賦予光學(xué)吸收、改進的化學(xué)保護、以及改進的物理保護?；瘜W(xué)保護可以包括保護該基底免受由不同的試劑(例如會溶解或改變塑料的外觀的溶劑)引起的化學(xué)侵襲。例如，已知聚碳酸酯對醛類具有有限的耐受性，并且對濃的酸、 堿、乙醚、酯類、脂肪烴、芳香烴、苯、鹵代烴、酮類(如丙酮)以及氧化劑類具有差的耐受性。為了添加光學(xué)吸收的目的，厚度下限可以是約IOnm至約20nm。厚度上限可以通過為了修改該涂覆層所要求的能量來確定，并且將取決于所選擇的材料而改變。上限的一個例子是大約lOOnm。示例性的厚度為約10nm、約20nm、約30nm、約40nm、約50nm、約60nm、 約70nm、約80nm、約90nm、約lOOnm、以及這些值的任兩個之間的范圍。厚度值可以在理論上按λ/2η計算，其中λ是讀入波長，并且η是該層的折光率。為了添加物理保護的目的，該涂覆層厚度可以等于或高于用于提供光學(xué)吸收的厚度。例如，厚度上限可以是約lOOnm、約 1，OOOnm、約 10，OOOnmJ^] 100，OOOnrn、或約 1，000, OOOnm(Imm)。示例性的厚度為約 lOOnm、 約 500nm、約 1，OOOnm、約 5，OOOnm、約 10，OOOnm、約 50，OOOnm、約 100，OOOnm、約 500，OOOnm、 約1，000, OOOnm、以及這些值的任兩個之間的范圍。所披露的碳膜的另一個益處是制備具有高的表面能的一種碳表面。據(jù)信，這是該充氧膜的一個獨特的益處。例如，采用了氫(H2)的這種常用的碳沉積工藝并沒有產(chǎn)生出一種高表面能的膜。這種高的表面能可以用于許多優(yōu)點。例如，它可以提供一種與隨后沉積的膜的更好的粘附性。這與美國專利號5，125，808和5，268, 217，中得到的差粘附性全然相反，在這些專利中碳膜未用一種注入的氣體進行制備、但在該碳層與基底之間要求有一個 “夾層”以便改進粘附性?？商娲?，這些含有一種注入氣體的碳膜可以用作一種催化劑，從而允許在表面界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這些涂覆的物體可以進一步包括一個或多個另外的層來對這些物體賦予另外的特性。多個層可以添加耐刮性、耐磨性、顏色、微光、反射性、或?qū)挿秶钠渌砻嫣匦?。在一個最簡單的實施方案中，該涂覆的物體包括一個基底以及一個涂覆層，其中該涂覆層表面式地(facially)接觸該基底。在一個替代實施方案中，該涂覆的物體包括一個基底、至少一個插入層、以及一個涂覆層，其中該基底表面式地接觸這個或這些插入層，并且該涂覆層表面式地接觸這個或這些插入層。該涂覆的物體的一個截面將與該涂覆層、然后是該至少一個插入層、并且然后是該基底相交?？梢韵蛟撏扛驳奈矬w添加另外多個層。該涂覆的物體可以進一步包括一個燒蝕捕獲層。該燒蝕捕獲層可以用來保留該碳以及將從基底或表面上被去除的其他材料。一個燒蝕捕獲層可以覆蓋該涂覆層來捕獲被燒蝕的材料。適合于該燒蝕捕獲層的材料包括氣凝膠、或薄的金屬層。其他適當(dāng)?shù)牟牧习ㄤX、鉻、鈦、銀、金、鉬、銠、硅、鍺、鈀、銥、錫、銦、其他金屬、陶瓷、Si02、ai2o3、它們的合金、以及它們的混合物。該燒蝕捕獲層可以表面式地接觸該涂覆層。該基底和涂覆層可以在面上彼此接觸。制備方法本發(fā)明的一個另外的實施方案涉及用于制備一種涂覆的物體的方法?？傮w上，該方法可以包括提供一個基底、并且施用一個或多個另外的層來制備該涂覆的物體。這些不同的層可以按不同的次序來施用，這取決于在該涂覆的物體中所希望的具體分層。這些層可以全都施加在該基底的一側(cè)上，從而產(chǎn)生使基底在一個外部面上的最終產(chǎn)品。可替代地，這些層可以施用在該基底的兩(或所有)側(cè)上，從而產(chǎn)生一種最終產(chǎn)品， 該最終產(chǎn)品使基底定位于使得它不是該最終產(chǎn)品的外部面(即，該基底被完全涂覆)。在一個最簡單的實施方案中，該方法可以包括提供一個基底、并且將注入了至少一種氧合氣體的至少一個涂覆層施加在該基底的至少一個面上，這樣使得該基底和涂覆層在面上彼此接觸。該基底可以是以上討論的這些基底中的任何一個。該涂覆層和氧合氣體可以是以上討論的這些中的任何一種。該方法可以進一步包括在該施用步驟之前將該基底暴露于一個真空中。在該施用步驟中可以使用濺射來施用該涂覆層以及其他的層。用于形成該涂覆層的濺射可以包括提供一種前體材料以及至少一種氧合氣體、對該前體材料施加能量來使該前體材料汽化、并且將該汽化的前體材料以及該氣體沉積在該基底上，這樣使得該氧合氣體被注入在該涂覆層中。在該濺射過程中可能存在另外的非氧合氣體，如氬氣、氪氣、氮氣、 氦氣、以及氖氣。這些氣體常被用作惰性的濺射載氣。在濺射過程中該氧合氣體的濃度可以是大約0.01% (ν/ν)至約25% (ν/ν) 0具體的濃度可以是約 0.01% (ν/ν)、約 0.05% (ν/ν)、約 0.1% (ν/ν)、約 0.5% (ν/ν)、約 (ν/ν)、約 2% (ν/ν)、約 3% (ν/ν)、約 4% (ν/ν)、約 5% (ν/ν)、約 10% (ν/ν)、約 15% (ν/ ν)、約20% (ν/ν)、約25% (ν/ν)、以及這些值中任兩個之間的范圍。這些值是關(guān)于該惰性濺射載氣(典型地是氬氣)的體積/體積。得到的涂覆層與以在其他方面相同但在施用步驟中無氧合氣體存在的方式制備的相比將具有更高濃度的注入的氧合氣體?？梢允褂贸秊R射之外的多種方法來施用該涂覆層以及其他的層。例如，可以施用等離子體聚合、電子束蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積、分子束外延、以及蒸發(fā)。這個施用至少一個注入了至少一種氧合氣體的涂覆層的步驟可以作為一個單一步驟進行?？商娲?，該施用步驟可以作為兩個步驟進行首先施用這個沒有注入氣體的涂覆層、并且第二步用向該數(shù)據(jù)層注入氣體。在更復(fù)雜的實施方案中，可以向該基底施用一個或多個另外的層。例如，一種制備涂覆的物體的方法可以包括提供一個基底、施用至少一個插入層、并且施用至少一個注入了至少一種氧合氣體的涂覆層。該涂覆的物體的一個截面將與該涂覆層、然后是該至少一個插入層、并且然后是該基底相交。該方法可以進一步包括施用一個燒蝕捕獲層，使得該燒蝕捕獲層和該涂覆層在面上彼此接觸。在此包括以下實例來例證本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該了解，在所跟隨的實例中披露的技術(shù)代表了諸位發(fā)明人所發(fā)現(xiàn)的、在本發(fā)明的實施中起到良好作用的技術(shù)，并且因此可以被認(rèn)為構(gòu)成了用于實施本發(fā)明的優(yōu)選模式。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員鑒于本披露應(yīng)該了解，在所披露的這些具體實施方案中可以做出多種改變并且仍然在不偏離本發(fā)明的范圍時得到一種同樣或相似的結(jié)果。實例實例1 用于反應(yīng)件毈射的一般方法使用一臺PVD 75 儀器(Kurt J. Lesker Company ；Pittsburgh, PA)進行 RF 濺射。 該系統(tǒng)配置有一個FR電源、可以夾持3英寸(7. 62cm)靶材的三個磁控槍、以及用于兩種濺射氣體的設(shè)施。將這些靶材安排為一種向上濺射的構(gòu)型。光間覆蓋了這三個靶材的每一個。 將多個基底安裝在一個旋轉(zhuǎn)臺板上，該臺板可以被加熱至高達200°C。該旋轉(zhuǎn)臺板被定位在這些靶材上方。該實驗的大部分是在沒有對臺板進行主動加熱時進行的。無主動加熱時， 該臺板的溫度隨著400w下的濺射時間的增加而逐步升高，直到該溫度達到約60°C -70°C的最大值。這個最大溫度在約三小時后達到。在濺射之前這個室中的初始溫度典型地是大約 27°C。按以下實例中所描述的來改變時間、靶材、以及濺射源。所使用的基底典型地是一種硅(Si)晶片或一種在約300nm處具有UV截止的玻璃顯微鏡載片。將多個等離子體清潔的基底安裝到該臺板上。將該硅基底的一部分用一片具有丙烯酸類粘合劑的膠帶遮蔽，以便協(xié)助進行濺射沉積速率的測量。當(dāng)臺板就位時，對該濺射室施加一個真空，直到壓力低于2. 3X10_5托。然后，將指定比例的氬氣(Ar)和二氧化碳 (CO2)引入該室中使得該室中壓力為大約12毫托。將Capman壓力維持在13毫托(Capman 壓力是PVD 75儀器的一種儀器設(shè)置)。然后將等離子體在該碳石墨靶材(99.999% ;Kurt J. Lesker Company，部件編號EJTCXXX503A4)上方點亮。使功率緩慢地傾斜上升至400w RF, 并將室的壓力減小到約2. 3毫托(Capman壓力等于3毫托)，始終維持Ar比(X)2的指定比率。接著，將該石墨靶材上方的光間打開并將該基底暴露在該濺射靶材中持續(xù)一個預(yù)定的時間長度。在這個時間的結(jié)束點，該靶材上方的光閘關(guān)閉并且使功率傾斜下降。然后從該儀器中移除這個含有已濺射的材料的基底以便用于分析或進一步處理。勒列2 用于AFM ISIt測丨量的一般方法使用一臺Veeco Dimension 3IOO 儀器(Veeco ；Plainview, NY)進行原子力顯微鏡術(shù)(AFM)，其中圖像是以分接模式獲取的。制備涂覆的硅晶片用于如下通過AFM進行階梯高度測量。將遮蔽了一部分表面的膠帶去除。將該表面用丙酮潤濕并用一種丙酮浸濕的帶棉尖端的拭子來擦拭以便去除該晶片的被暴露及被遮蔽的部分之間界面處的殘余粘合劑以及松散材料。該Si晶片上的界面階梯高度通過AFM進行測量。對于該Si晶片上的幾層膜通過XPS進行研究。將這些涂覆的玻璃顯微鏡載片通過紫外可見(UV-VIQ光譜法進行分析。實例3 用于UV-VIS測量的一般方法
使用一臺Agilent 8453UV/VIS 分光計(Agilent ；Santa Clara, CA)進行玻璃載片上膜的UV/VIS光譜學(xué)。對于一種光譜學(xué)測量，該玻璃載片被定向為為使得來自該分光計的光束首先穿過該載片的空氣-玻璃界面并接著穿過該玻璃-膜界面。每次掃描都伴隨有對裸的未涂覆的玻璃載片的一次掃描。該薄膜的吸收光譜是通過從該涂覆的玻璃載片的吸收光譜中減去該裸的玻璃載片的吸收光譜而得到的。我們作出以下假定該裸的玻璃蓋玻片的玻璃-空氣界面的反射率與該涂覆的玻璃載片上的膜-空氣界面的反射率是相同的，并且該膜-玻璃界面的反射率是可忽略的。當(dāng)對一種涂覆的玻璃載片進行掃描時，該載片的定位方式是使得在濺射沉積過程中該分光計的光束穿過該玻璃載片的一個區(qū)段，該區(qū)段位于距離該臺板的中心2. 2cm處。實例4 用于測量光密度的一般方法一種薄膜的光密度是通過將UV/VIS吸光度除以膜厚度來確定的。一種材料在給定波長下的光密度越高，則它在這個波長下透明度越低。使用了兩個樣品和兩次測量來確定光密度。這兩個樣品是一個涂覆的、遮蔽的硅晶片以及一個涂覆的玻璃載片。在這兩個樣品上的膜理想地是同時進行制備。得到了該涂覆的玻璃載片的UV/VIS吸收光譜。得到了該Si晶片的遮蔽的和暴露的區(qū)段的界面的AFM圖像，并且進行了臺階高度測量以獲得該膜的厚度。然后，將沿著該吸收光譜的所有點的吸光度值除以膜厚度以便獲得該膜的光密
陽並
/又te。_ 5 吿丨隠氧洽氣遍翻··將一個其上沒有涂層的聚碳酸酯光盤安裝在該PVD 75儀器中的臺板上，其中該盤上的光軌面向靶材。將一種碳石墨靶材用氬氣作為濺射氣體在3毫托的Capman壓力下用400w RF下的磁控管功率濺射一小時。這在該光盤的表面上產(chǎn)生了一個大約31nm厚的碳膜。接下來，沉積一個鉻層。6 泡丨備含有灃入了二氧補3炭的涂gHl的盤將一個其上沒有涂層的聚碳酸酯光盤安裝在該PVD 75儀器中的臺板上，其中該盤上的光軌面向靶材。將一種碳石墨靶材用Ar和(X)2作為濺射氣體(其中(X)2的濃度在3 毫托的Capman壓力下)用400w RF下的磁控管功率濺射1小時。接下來，在該碳膜的頂部沉積一個金屬層，如鋁或鉻層。實例7 鉻反射層的施用通過濺射沉積將多個鉻層施用在光盤上，通常是在沉積了一個碳層之后。典型地， 在施用碳層與鉻層之間將這個室保持在真空下。將一種鉻靶材用Ar作為濺射氣體在4毫托的Capman壓力下用400w RF下的磁控管功率濺射15分鐘。這在該光盤的表面上產(chǎn)生了一個大約138nm厚的鉻膜。實例8 通過改變?yōu)R射時間來測量膜生長速率使用AFM來測定這些膜的厚度。如之前所討論的，在濺射過程中將膜用膠帶遮蔽。 濺射之后，去除膠帶并且對表面進行清潔。然后通過AFM測量階梯高度。發(fā)現(xiàn)在400w RF 磁控管功率以及4毫托的Capman壓力的條件下濺射的鉻以0. 154nm/s的速率生長。這是由一條具有5個數(shù)據(jù)點的校準(zhǔn)曲線的斜率確定的。發(fā)現(xiàn)在400w RF磁控管功率以及3毫托的Capman壓力的條件下濺射的鋁以0. 141nm/s的速率生長。這是由一條具有3個數(shù)據(jù)點的校準(zhǔn)曲線的斜率確定的。
9
_ 9 寸躺氣遍棘泖丨絲率發(fā)現(xiàn)碳膜的生長速率依賴于濺射氣體中二氧化碳的百分比。對于所有試驗均為常數(shù)的試驗條件為400w RF的磁控管功率以及Capman = 3毫托。工藝氣體中的二氧化碳的量作為已經(jīng)進行實驗的氬氣的量的百分比是0% (v/v)U% (ν/ν),2% (ν/ν)、以及4% (ν/ ν)。這些膜的生長速率在下表中示出，并且是通過將膜的厚度(如通過AFM測定的)除以按濺射時間來確定的。
二氧化碳百分比厚度生長速率0%8. 65 XlCTWs1%8. 72 XlCTWs2%6. 03 X ICfWs4%2. OOXlO-Ws這些生長速率清楚地顯示了增加二氧化碳的濃度減慢了濺射沉積速率。輔丨丨10 寸棘泖園草白她棘(綱帛)發(fā)現(xiàn)這些碳膜的光密度隨著在濺射氣體中在-4% (ν/ν)范圍上漸增的二氧化碳濺射濃度而減小。對于這個實例，通過在400w RF的磁控管功率以及3毫托的Capman壓力下對碳石墨濺射4小時而產(chǎn)生了多個膜。這些膜的650nm光密度在下表中示出。
二氧化碳百分比光密度1%3. 8 X ICr3Iinf12%2. 5 X IO-W4%1. 5 X IO-W測量了跨過從300nm至IlOOnm光譜的光密度，并在圖1中示出。這些結(jié)果清楚地顯示，增加的二氧化碳濃度減小了所形成的膜的光密度。換言之，增加的二氧化碳濃度增加了所形成的膜的透明度。11 灃入了二氧U炭的碳臘的X射線光申ι子能i普學(xué)用一臺 SSX-100 儀器(Surface Science maintained by Surface Physics ；Bend, or)進行X射線光電子光譜法(XPS)。XPS提供了上部約IOnm材料的元素組合物。XPS顯示了這些膜的氧含量隨著濺射氣體中二氧化碳百分比的增大，這些膜的氧含量上的一種穩(wěn)定的增加。結(jié)果在下表中示出。
權(quán)利要求
1.一種涂覆的物體，包括至少一個基底；以及至少一個注入了一種氧合氣體的涂覆層。
2.如權(quán)利要求1所述的涂覆的物體，其中，該基底表面式地接觸該涂覆層。
3.如權(quán)利要求1所述的涂覆的物體，其中，該基底包括聚碳酸酯或玻璃。
4.如權(quán)利要求1所述的涂覆的物體，其中，該基底包括電容器、電阻器、電極、航空器起落架、航空器襟翼導(dǎo)軌、航空器部件、聚碳酸酯的盤、手表面、電池、眼鏡、鏡片、剃須刀刃片、刀刃片、牙科儀器、醫(yī)學(xué)植入物、外科儀器、支架、骨鋸、廚房用具、珠寶、門手柄、釘子、螺釘、螺栓、螺母、鉆頭尖、鋸片、一般家用硬件、電絕緣體、船只推進器、船只推進器軸、船只和海洋產(chǎn)品、引擎、小汽車部件、車盤部件、衛(wèi)星、或衛(wèi)星部件。
5.如權(quán)利要求1所述的涂覆的物體，其中，該涂覆層包括無定形碳、類金剛石碳、碳化硅、碳化硼、氮化硼、非晶態(tài)硅、或非晶態(tài)鍺。
6.如權(quán)利要求1所述的涂覆的物體，其中，該涂覆層包括元素碳(C)。
7.如權(quán)利要求1所述的涂覆的物體，其中，該涂覆層包括無定形碳。
8.如權(quán)利要求1所述的涂覆的物體，其中，該氧合氣體是一氧化碳、二氧化碳、分子氧、臭氧、氮氧化物、硫氧化物、或它們的混合物。
9.如權(quán)利要求1所述的涂覆的物體，其中，該氧合氣體是二氧化碳。
10.如權(quán)利要求1所述的涂覆的物體，其中，該氧合氣體被共價地鍵合在該涂覆層中。
11.一種涂覆的物體，包括一個聚碳酸酯的或玻璃的基底；以及一個注入了二氧化碳的元素碳涂覆層。
12.一種用于制備涂覆的物體的方法，該方法包括提供一個基底；并且施加一個注入了一種氧合氣體的涂覆層來制備一種涂覆的物體。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，該基底和該涂覆層在面上彼此接觸。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，施加該涂覆層包括濺射一種前體材料以及至少一種氧合氣體。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，施加該涂覆層包括濺射一種前體材料以及至少一種氧合氣體，其中該氧合氣體是以約0.01% (ν/ν)至約(ν/ν)的濃度被施加的。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，該涂覆層包括無定形碳、類金剛石碳、碳化硅、 碳化硼、氮化硼、非晶態(tài)硅、或非晶態(tài)鍺。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，該涂覆層包括元素碳(C)。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，該涂覆層包括無定形碳。
19.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，該氧合氣體是一氧化碳、二氧化碳、分子氧、臭氧、氮氧化物、硫氧化物、或它們的混合物。
20.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，該氧合氣體是二氧化碳。
全文摘要
在此披露了具有一個基底以及一個注入了氧合氣體的涂覆層的多種物體。該涂覆層與常規(guī)涂層相比提供了增強的物理耐久性、化學(xué)耐受性、光學(xué)透明度、以及可燒蝕性。
文檔編號C23C16/26GK102171381SQ200980138652
公開日2011年8月31日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月12日
發(fā)明者B·M·倫特, D·P·漢森, M·C·埃斯普倫德, M·R·林福德, R·C·達維斯 申請人:布萊阿姆青年大學(xué)