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硼含量对溅射Mo-S-B薄膜结构，力学和摩擦学性能的影响

MoS2基薄膜；硬度；润滑；耐磨性

MoS₂薄膜，最常见的过渡族金属二硫化物(TMD)之一，因其独特的层状结构而具备出色的润滑性能，常用做固体润滑剂广泛应用在工业领域中。但是，溅射得到的纯MoS₂薄膜由于形成多孔结构，通常表现出较低的硬度和较差的耐磨性。为了改善这些问题，科学家们做了许多研究，发现向MoS₂中掺杂其他元素是一种行之有效的方法。已经证实掺杂过渡族金属(例如Ti, Cr, Zr)可以显著提高薄膜的硬度，但同时会对在润滑过程中起重要作用的转移膜的形成产生不利影响，并且当掺杂量超过溶解极限时，掺杂原子析出形成离散金属，破坏MoS₂的层状结构，导致较差的摩擦学性能。而掺有非金属元素(例如轻原子C和N)的TMD薄膜具有更高的溶解极限，此外，非金属元素可以与过渡金属或二卤代烃发生反应，从而增加膜的致密性并提高力学性能，有些甚至具备比纯TMD薄膜更低的摩擦系数。最近有研究表明，将B掺杂到VIB族过渡金属薄膜中，例如W，Mo和Cr，可以显着改善其力学性能，并且提高耐磨性，同时降低摩擦系数。因此，我们认为向MoS₂中掺杂B是改善薄膜力学性能和摩擦性能的有效手段。在本工作中，我们使用磁控溅射技术沉积了一系列B含量不同的Mo-S-B薄膜，研究B含量对MoS₂薄膜的结构，力学和摩擦学性能的影响，并探索其在大气环境中作为具备优良摩擦学性能的新型固体润滑剂的潜力。随着B靶材溅射功率从0增加到150 W，薄膜中B含量从0增加到23.4 at.%。XRD，XPS和HRTEM结果表明，向MoS₂中掺杂B会导致薄膜从结晶态转变为非晶态，同时，膜表面变得光滑，微观结构从柱状晶转变为致密结构。薄膜硬度从0.75 ± 0.26 GPa (纯MoS₂) 线性增加到8.38 ± 0.70 GPa (23.4 at.% B)。球盘式摩擦实验结果表明：MoS₂中掺杂B可以增强薄膜的耐磨性，B含量为23.4 at.％的Mo-S-B薄膜的磨损率最低，为5.5 × 10^-7 mm³/Nm，比纯MoS₂ (5.66 × 10^-5 mm³/Nm) 低两个数量级。所有Mo-S-B薄膜的摩擦系数和纯MoS₂ (0.14) 相比稍大，但仍处于0.15至0.24的稳定且较低的范围内，这可以归因于在滑动界面处形成了有利于润滑的MoS₂摩擦转移膜。因此，我们的研究为在大气环境中开发具有优良耐磨性和润滑性的Mo-S-B固体润滑剂提供了基础。