类金刚石薄膜力学特性的分子动力学模拟

权伟龙; 李红轩; 吉利; 赵飞; 杜雯; 周惠娣; 陈建敏

doi:10.7498/aps.59.5687

摘要

基于Brenner的REBO势函数,利用分子动力学方法模拟了含氢量不同的类金刚石薄膜的纳米压痕过程,依据得到的加载卸载曲线,计算了薄膜的刚度、硬度以及弹性模量.结果表明:类金刚石薄膜的硬度由氢含量和sp3键含量两个因素共同决定;当薄膜中氢含量小于39% 时,薄膜硬度主要取决于sp3键含量,sp3键越多,硬度越高;当薄膜中氢含量达到52%,薄膜硬度则显著下降,此时氢的作用占据主导地位.

关键词:

The mechanical property of diamond-like carbon films with different hydrogen concentration is studied using molecular dynamical simulation based on REBO potential energy functions. The stiffness, hardness, and elastic modulus of the films are calculated from the load-unload curve. It is shown that both of the fraction of sp3 carbon and the concentration of H in the films have strong influence on the film hardness. When H concentration in the film is lower than 39%, the hardness is mainly determined by sp3 carbon, when H concentration further increases, the hardness decreases greatly despite the increase of the sp3 fraction.

Keywords:

作者及机构信息

(1)中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,兰州 730000; (2)中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,兰州 730000; 兰州交通大学数理与软件工程学院,兰州 730070

基金项目: 国家自然科学基金(批准号:50705093, 50575217),国家自然科学基金创新研究群体基金(批准号:50421502),国家重点基础研究发展计划(批准号:2007 CB607601)资助的课题.

Authors and contacts

(1)State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China; (2)State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China; School of Mathematics, Physics and Software Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China

参考文献

[1]	Erdemir A 2001 Surf. Coat. Tech. 146-147 294
[2]	Wang X, Wang P, Yang S R, Zhang J Y 2008 Wear 265 1708
[3]	Eryilmaz O L, Erdemir A 2008 Surf. Coat. Tech. 203 750
[4]	Silinskas M, Grigonis A, Kulikauskas V, Manika I 2008 Thin. Solid. Films 516 1683
[5]	Laikhtman A, Hoffman A, Kalish R, Avigal Y, Breskin A, Chechik R, Shefer E, Lifshitz Y 1998 Appl. Phys. Lett. 73 1433
[6]	Dillon R O, Woollam J A, Katkanant V 1984 Phys. Rev. B 29 3482
[7]	Tang X M, Weber J, Baer Y, Müller C, Hnni W, Hintermann H E 1993 Phys. Rev. B 48 10124
[8]	Jiu J T, Wang H, Cao C B, Zhu H 1999 J. Mater. Sci. 34 5205
[9]	Zhu L, Jiang M F, Ning Z Y, Du J L, Wang P J 2009 Acta Phys. Sin. 58 6430 (in Chinese) [朱丽、江美福、宁兆元、杜记龙、王培君 2009 物理学报 58 6430]
[10]	Zhao D C, Ren N, Ma Z J, Qiu J W, Xiao G J, Wu S H 2008 Acta Phys. Sin. 57 1935 (in Chinese) [赵栋才、任妮、马占吉、邱家稳、肖更竭、武生虎 2008 物理学报 57 1935]
[11]	Jger H U, Yu Belov A 2003 Phys. Rev. B 68 024201
[12]	Marks N 2005 Diamond. Relat. Mater. 14 1223
[13]	Ma T B, Hu Y Z, Wang H 2006 Acta Phys. Sin. 55 2922 (in Chinese) [马天宝、胡元中、王慧 2006 物理学报 55 2922]
[14]	Ma T B, Hu Y Z, Wang H, Li X 2007 Phys. Rev. B 75 035425
[15]	Ma T B, Hu Y Z, Wang H 2007Acta Phys. Sin. 56 1129 (in Chinese) [马天宝、胡元中、王慧 2007 物理学报 56 1129]
[16]	Zhang S, Johnson H T, Wagner G. J, Liu W K, Hsia K J 2003 Acta. Mater. 51 5211
[17]	Lifshitz Y, Edrei R, Hoffman A, Grossman E, Lempert G D, Berthold J, Schultrich B, Jger H U 2007 Diamond. Relat. Mater. 16 1771
[18]	Zhan Y J, Dong G N, Mao J H, Xie Y B 2007 Chinese. Sci. Bull. 52 2813 (in Chinese) [张宇军、董光能、毛军红、谢友柏 2007 科学通报 52 2813] 〖19] Neyts E, Bogaerts A, van de Sanden M C M 2007 J. Phys. Conf. Series 86 012020
[19]	Kai H, Li Y C, Guo D C, Li S, Li Z J 2009 Acta Phys. Sin. 58 4888 (in Chinese) [开花、李运超、郭德成、李双、李之杰 2009 物理学报 58 4888]
[20]	Li J, Zhang K W, Meng L J, Liu W L, Zhong J X 2008 Acta Phys. Sin. 57 382 (in Chinese) [李俊、张凯旺、孟利军、刘文亮、钟建新 2008 物理学报 57 382]
[21]	Tang C, Ji L, Meng L J, Sun L Z, Zhang K W, Zhong J X 2009 Acta Phys. Sin. 58 7815 (in Chinese) [唐超、吉璐、孟利军、孙立忠、张凯旺、钟建新 2009 物理学报 58 7815]
[22]	Brenner D W, Shenderova O A, Harrison J A, Stuart S J, Ni B, Sinnott S B 2002 J. Phys. Condens. Mat. 14 783

施引文献

[1]	Erdemir A 2001 Surf. Coat. Tech. 146-147 294
[2]	Wang X, Wang P, Yang S R, Zhang J Y 2008 Wear 265 1708
[3]	Eryilmaz O L, Erdemir A 2008 Surf. Coat. Tech. 203 750
[4]	Silinskas M, Grigonis A, Kulikauskas V, Manika I 2008 Thin. Solid. Films 516 1683
[5]	Laikhtman A, Hoffman A, Kalish R, Avigal Y, Breskin A, Chechik R, Shefer E, Lifshitz Y 1998 Appl. Phys. Lett. 73 1433
[6]	Dillon R O, Woollam J A, Katkanant V 1984 Phys. Rev. B 29 3482
[7]	Tang X M, Weber J, Baer Y, Müller C, Hnni W, Hintermann H E 1993 Phys. Rev. B 48 10124
[8]	Jiu J T, Wang H, Cao C B, Zhu H 1999 J. Mater. Sci. 34 5205
[9]	Zhu L, Jiang M F, Ning Z Y, Du J L, Wang P J 2009 Acta Phys. Sin. 58 6430 (in Chinese) [朱丽、江美福、宁兆元、杜记龙、王培君 2009 物理学报 58 6430]
[10]	Zhao D C, Ren N, Ma Z J, Qiu J W, Xiao G J, Wu S H 2008 Acta Phys. Sin. 57 1935 (in Chinese) [赵栋才、任妮、马占吉、邱家稳、肖更竭、武生虎 2008 物理学报 57 1935]
[11]	Jger H U, Yu Belov A 2003 Phys. Rev. B 68 024201
[12]	Marks N 2005 Diamond. Relat. Mater. 14 1223
[13]	Ma T B, Hu Y Z, Wang H 2006 Acta Phys. Sin. 55 2922 (in Chinese) [马天宝、胡元中、王慧 2006 物理学报 55 2922]
[14]	Ma T B, Hu Y Z, Wang H, Li X 2007 Phys. Rev. B 75 035425
[15]	Ma T B, Hu Y Z, Wang H 2007Acta Phys. Sin. 56 1129 (in Chinese) [马天宝、胡元中、王慧 2007 物理学报 56 1129]
[16]	Zhang S, Johnson H T, Wagner G. J, Liu W K, Hsia K J 2003 Acta. Mater. 51 5211
[17]	Lifshitz Y, Edrei R, Hoffman A, Grossman E, Lempert G D, Berthold J, Schultrich B, Jger H U 2007 Diamond. Relat. Mater. 16 1771
[18]	Zhan Y J, Dong G N, Mao J H, Xie Y B 2007 Chinese. Sci. Bull. 52 2813 (in Chinese) [张宇军、董光能、毛军红、谢友柏 2007 科学通报 52 2813] 〖19] Neyts E, Bogaerts A, van de Sanden M C M 2007 J. Phys. Conf. Series 86 012020
[19]	Kai H, Li Y C, Guo D C, Li S, Li Z J 2009 Acta Phys. Sin. 58 4888 (in Chinese) [开花、李运超、郭德成、李双、李之杰 2009 物理学报 58 4888]
[20]	Li J, Zhang K W, Meng L J, Liu W L, Zhong J X 2008 Acta Phys. Sin. 57 382 (in Chinese) [李俊、张凯旺、孟利军、刘文亮、钟建新 2008 物理学报 57 382]
[21]	Tang C, Ji L, Meng L J, Sun L Z, Zhang K W, Zhong J X 2009 Acta Phys. Sin. 58 7815 (in Chinese) [唐超、吉璐、孟利军、孙立忠、张凯旺、钟建新 2009 物理学报 58 7815]
[22]	Brenner D W, Shenderova O A, Harrison J A, Stuart S J, Ni B, Sinnott S B 2002 J. Phys. Condens. Mat. 14 783

[1]	刘秀成, 杨智, 郭浩, 陈颖, 罗向龙, 陈健勇. 金刚石/环氧树脂复合物热导率的分子动力学模拟. 物理学报, 2023, 72(16): 168102. doi: 10.7498/aps.72.20222270
[2]	陈晶晶, 邱小林, 李柯, 周丹, 袁军军. 纳米晶CoNiCrFeMn高熵合金力学性能的原子尺度分析. 物理学报, 2022, 71(19): 199601. doi: 10.7498/aps.71.20220733
[3]	汉芮岐, 宋海洋, 安敏荣, 李卫卫, 马佳丽. 石墨烯/铝基复合材料在纳米压痕过程中位错与石墨烯相互作用机制的模拟研究. 物理学报, 2021, 70(6): 066201. doi: 10.7498/aps.70.20201591
[4]	李锐, 刘腾, 陈翔, 陈思聪, 符义红, 刘琳. 界面结构对Cu/Ni多层膜纳米压痕特性影响的分子动力学模拟. 物理学报, 2018, 67(19): 190202. doi: 10.7498/aps.67.20180958
[5]	李艳茹, 何秋香, 王芳, 向浪, 钟建新, 孟利军. 金属纳米薄膜在石墨基底表面的动力学演化. 物理学报, 2016, 65(3): 036804. doi: 10.7498/aps.65.036804
[6]	艾立强, 张相雄, 陈民, 熊大曦. 类金刚石薄膜在硅基底上的沉积及其热导率. 物理学报, 2016, 65(9): 096501. doi: 10.7498/aps.65.096501
[7]	张传国, 杨勇, 郝汀, 张铭. 金刚石表面无定形碳氢薄膜生长的分子动力学模拟. 物理学报, 2015, 64(1): 018102. doi: 10.7498/aps.64.018102
[8]	胡兴健, 郑百林, 胡腾越, 杨彪, 贺鹏飞, 岳珠峰. 考虑相界效应的Ni基单晶合金纳米压痕模拟. 物理学报, 2014, 63(17): 176201. doi: 10.7498/aps.63.176201
[9]	姜金龙, 黄浩, 王琼, 王善民, 魏智强, 杨华, 郝俊英. 沉积温度对钛硅共掺杂类金刚石薄膜生长、结构和力学性能的影响. 物理学报, 2014, 63(2): 028104. doi: 10.7498/aps.63.028104
[10]	安涛, 文懋, 田宏伟, 王丽丽, 宋立军, 郑伟涛. TiN薄膜在纳米压痕和纳米划痕下的断裂行为. 物理学报, 2013, 62(13): 136201. doi: 10.7498/aps.62.136201
[11]	张培增, 李瑞山, 谢二庆, 杨华, 王璇, 王涛, 冯有才. 电化学方法制备ZnO纳米颗粒掺杂类金刚石薄膜及其场发射性能研究. 物理学报, 2012, 61(8): 088101. doi: 10.7498/aps.61.088101
[12]	兰惠清, 徐藏. 掺硅类金刚石薄膜摩擦过程的分子动力学模拟. 物理学报, 2012, 61(13): 133101. doi: 10.7498/aps.61.133101
[13]	何智兵, 阳志林, 闫建成, 宋之敏, 卢铁城. 辉光放电聚合物结构及力学性质研究. 物理学报, 2011, 60(8): 086803. doi: 10.7498/aps.60.086803
[14]	张勇, 张崇宏, 周丽宏, 李炳生, 杨义涛. 氦离子注入4H-SiC晶体的纳米硬度研究. 物理学报, 2010, 59(6): 4130-4135. doi: 10.7498/aps.59.4130
[15]	王华滔, 秦昭栋, 倪玉山, 张文. 不同晶体取向下纳米压痕的多尺度模拟. 物理学报, 2009, 58(2): 1057-1063. doi: 10.7498/aps.58.1057
[16]	开花, 李运超, 郭德成, 李双, 李之杰. 斜入射离子束辅助沉积对类金刚石薄膜结构影响的分子动力学模拟. 物理学报, 2009, 58(7): 4888-4894. doi: 10.7498/aps.58.4888
[17]	赵栋才, 任妮, 马占吉, 邱家稳, 肖更竭, 武生虎. 掺硅类金刚石膜的制备与力学性能研究. 物理学报, 2008, 57(3): 1935-1940. doi: 10.7498/aps.57.1935
[18]	张敏, 林国强, 董闯, 闻立时. 脉冲偏压电弧离子镀TiO2薄膜的力学与光学性能. 物理学报, 2007, 56(12): 7300-7308. doi: 10.7498/aps.56.7300
[19]	杨海波, 胡明, 张伟, 张绪瑞, 李德军, 王明霞. 基于纳米压痕法的多孔硅硬度及杨氏模量与微观结构关系研究. 物理学报, 2007, 56(7): 4032-4038. doi: 10.7498/aps.56.4032
[20]	马天宝, 胡元中, 王慧. 超薄类金刚石膜生长和结构特性的分子动力学模拟. 物理学报, 2006, 55(6): 2922-2927. doi: 10.7498/aps.55.2922

计量

文章访问数: 11732
PDF下载量: 1077
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板