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

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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:

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.

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
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[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

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类金刚石薄膜力学特性的分子动力学模拟

1. (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.

收稿日期: 2009-11-09

修回日期: 2009-11-27

刊出日期: 2010-04-05

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.

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