1.1.3  类金刚石薄膜的分类

类金刚石薄膜主要分为两种：无氢类金刚石薄膜（a-C）和氢化类金刚石薄膜（a-C:H）。无氢类金刚石薄膜主要是由a-C碳膜（由sp2和sp3键构成的互相混杂的三维网络）和ta-C碳膜（四面体非晶碳，即以80%以上的sp3键为构成骨架）。氢化类金刚石薄膜又可分为三种，即类聚合物非晶态碳、类金刚石碳和类石墨碳。主要是因为其三维网络结构中含有一定量的氢。

类金刚石薄膜作为一种基本成分为碳的薄膜，成分中是否含氢与其制备方法不同和碳源选择有关。自发现至今，随着镀膜技术的更迭。通过脉冲偏压电弧离子镀、双离子束法、非平衡磁控溅射发、等离子体化学气相沉积法和真空阴极电弧离子法等沉积的类金刚石薄膜。制备方法的不同，所沉积的类金刚石薄膜的结构与性能不尽相同。主要体现在sp2和sp3键含量，摩擦学和化学等方面。

作为类金刚石薄膜最受青睐的摩擦学性能，无氢类金刚石薄膜和氢化类金刚石薄膜的表现截然不同。

无氢类金刚石薄膜在相对较高的湿度或高温处理后表现出较低的摩擦系数，因此多作为切削金属刀头镀膜。而其在惰性气体或真空环境下，反而有0.4以上的摩擦系数。

氢化类金刚石薄膜在真空环境下有着超低的摩擦系数并且有着优异的环境敏感性。Donnet等人[7]通过离子束法沉积氢含量分别为20%、28%、34%、40%和42%的类金刚石薄膜。在40%-60%的相对环境湿度和超真空环境下进行摩擦磨损实验，实验结果表明：在大气环境下，随着含氢量的增加，其摩擦系数基本保持不变。在超真空环境下，含氢量小于34%的类金刚石薄膜的摩擦系数大于0.58。然而氢含量在40%和42%的类金刚石薄膜的摩擦系数小于0.02。从而得出氢化类金刚石薄膜存在含氢量的存在阈值，当高于阈值后在超真空条件下氢化类金刚石薄膜具有超低的摩擦系数。

1.1.4  类金刚石薄膜的结构与性能

碳元素有三种成键方式（见图1-1），即sp1、sp2、sp3。在sp1组态中，两个价电子形成键，其他两个价电子形成键。在sp2组态中，三个价电子与相邻碳原子结合形成sp2杂化轨道呈平面三角形即键，剩下一个价电子垂直于平面的轨道上，形成键。而在sp3组态，四个价电子与相邻的碳原子结合，形成正四面体的sp3杂化轨道，从而形成比较强的键。

 sp1、sp2、sp3轨道示意图

类金刚石薄膜存在上述三种成键方式的碳原子，而其中sp1成键方式的碳原子含量很少，可以忽略不计。类金刚石薄膜的主要内部成分是sp2键代表的石墨结构和sp3键代表的金刚石结构。其薄膜结构局部表现为短程有序，但整体结构表现为长程无需的非晶结构。类金刚石薄膜的结构一般表现为sp2键相连成的单个或者破碎的环状结构，类似于小的层片状碳团簇石墨。而在碳团簇的周围被不同比例的C-C电子轨道的sp3杂化结构包围。这些非常混杂的结构证明了，类金刚石薄膜是一种非晶态薄膜。

氢化类金刚石薄膜的sp3结构中的碳原子被氢原子取代（见图1-2）。而大量的氢原子在悬挂键上，使其表面的化学亲和力下降，从而降低了摩擦磨损。这种结构成就了氢化类金刚石薄膜的良好摩擦学特性和很高的硬度。

氢化类金刚石薄膜结构示意图

1.1.5  类金刚石薄膜的性能

类金刚石薄膜具有良好的热导率、生物相容性、光学透明度并且有宽的光学带隙（见表1-1）。对红外和微波有透过性和高的光学折射率。出色的化学惰性，使其对强酸强碱和有机溶液有较高的抗腐蚀性。

表1-1 类金刚石薄膜、金刚石的主要物理性质比较