Structural and tribological behaviours of silicon doped amorphous carbon films

材料科学 悬空债券 纳米压痕 兴奋剂 石墨烯 无定形碳 摩擦学 复合材料 摩擦学 无定形固体 纳米技术 结晶学 冶金 光电子学 化学
作者
Kun Sun,Mingjun Sun,Cheng Chen,Sicheng Chen,Jinwei Fan,Dongfeng Diao
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:215: 118434-118434 被引量:11
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2023.118434
摘要

We report on the structural evolution and low-friction behaviour of silicon (Si) doped amorphous carbon (a-C) films. Si-doped a-C films were fabricated by controlling the magnetron Si target currents under an electron cyclotron resonance (ECR) plasma system. Structural analysis indicated that Si atoms doped into the a-C lattice preferentially replaced certain sp3 C atoms, and subsequently formed bonds with other sp3 C atoms. Nanoindentation and nanoscratch tests showed that the Si-doped a-C films had hard surfaces with a hardness of approximately 24 GPa and a scratch depth of 40–60 nm. Ball-on-disk tribological evaluations further showed that these films exhibited low-friction behaviour, with a minimal friction coefficient of 0.02. Detailed transfer film characterisation revealed the formation of rich oxide and graphene structures within the stable contact-sliding interface of the Si-doped a-C film. The low friction mechanism was summarized as H–H interactions from the surface terminal passivation of Si dangling bond with hydroxide (-OH) or hydrogen (-H) groups and π*-π* interactions occurring between the graphene layers co-reducing the friction force. These findings shed light on the significance of doped Si atoms in the structural design and low-friction applications of carbon films.
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