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银掺杂类金刚石薄膜长期服役过程中的结构演变与稳定性研究

银掺杂类金刚石，柱状结构，银纳米晶，银团聚

  银掺杂类金刚石（Ag-DLC）薄膜具有残余应力低、结合稳定、耐磨性能好等优点，可被用于机械部件及生物植入物的表面改性研究，起到长效保护的作用。考虑到Ag-DLC薄膜要长期服役，因此其结构与性能的稳定性至关重要。本研究采用高功率脉冲磁控溅射沉积方法制备了DLC及含Ag量为10.0 at.%的Ag-DLC薄膜，并系统研究了Ag掺杂对薄膜结构的影响及Ag原子随时间的演化。研究结果表明：Ag原子进行层间扩散时的势垒远低于C原子，沉积过程中Ag原子更容易进行层间扩散，从而减少成膜过程中的缺陷，使薄膜结构更致密。在沉积态Ag- DLC薄膜中，Ag元素主要以细小的纳米晶形式存在于无定型碳基体中，尺寸在3 ~ 5 nm之间。在长期服役过程中，Ag元素会随时间扩散，细小的Ag纳米晶逐渐聚集形成大尺寸Ag晶粒。密度泛函理论（DFT）的计算结果证实了Ag原子的团聚可以降低体系能量，使体系更稳定；分子动力学（MD）模拟验证了Ag原子随时间的自发迁移和团聚行为。

  以上结果证明了Ag- DLC薄膜在长期使用过程中将伴随着Ag纳米晶的迁移与团聚行为。值得注意的是，薄膜结构的演变会引起薄膜性能的变化。Ag纳米晶在Ag-DLC薄膜中的团聚将会引起一系列的性能变化，如电学性能—电阻率的下降，机械性能—残余应力的降低，以及生物性能—抗菌性能的增加。本研究重点关注Ag-DLC的结构演变过程，并利用模拟证实了Ag原子的演变机制，这将为Ag-DLC薄膜的长期使用提供理论指导。