高功率磁控溅射 (HiPIMS) 制备DLC彩色膜
新铂科技，聚焦高能等离子体表面工程硬件和工艺
引言
类金刚石(DLC)薄膜不仅因其优异的机械、化学、生物相容性等性能，在精密机械、微机电系统、医疗保健等行业有着广泛的应用，而且由于其色彩艳丽的外观，DLC薄膜在节能、色彩渐变涂层、仿生材料等方面也显示出优异的应用潜力。尽管目前对其相关机理还缺乏深入的研究，DLC薄膜的色彩已成为其应用的重要性能。
如果颜色可以用来对DLC薄膜进行分类，将为电子器件、节能、摩擦纳米发电机、颜色梯度涂层、仿生等领域的许多重要应用带来便利。
众所周知，在自然界中存在两种类型的着色：颜料着色和结构着色。DLC薄膜根据合成条件的不同具有不同的着色，属于结构着色。Moravec[1]首先报道了不同厚度DLC薄膜的颜色表（表1）。至今，DLC薄膜颜色与薄膜类型之间的定量关系尚不清楚，相关机理有待进一步研究。
表1 DLC膜厚度与颜色关系
DLC薄膜的颜色除了受膜层厚度的影响，同样受DLC膜成分的影响。中科院周小龙等人[2]的研究表明，高氢含量DLC膜的颜色更艳丽。
图1显示了DLC薄膜的颜色随偏压和沉积时间的变化。样品#01-#08在无负偏置电压下沉积，沉积时间为5 ~ 40min，样品#01呈现出鲜艳的颜色，如样品#01呈宝蓝色，样品#02呈金色，样品#07呈粉红色(图1a)。它们的颜色随沉积时间和观察角度的增加而变化。样品#09-#16在0.5 kV负偏置电压下沉积，沉积时间为10 ~ 60 min，这些样品的颜色自然变得暗淡，但它们的颜色仍然可以区分，例如样品#10的靛蓝色，样品#12的棕红色，样品#15的棕红色(图1b)。值得注意的是，这些DLC胶片的颜色在不同的视角下不会有明显的变化，应该属于非虹彩结构颜色。然而，所提供的样品#17-#24与其他样品相比，不容易区分，主要可以区分为灰黑色和墨绿色两种颜色，例如样品#17的黑色和样品#19的墨绿色(图1c)，并且在不同的视角下颜色没有变化。
图1 不同偏压和沉积时间对DLC膜颜色的影响
可以看出，氢含量和碳原子态的微纳结构对DLC膜色彩的产生起着至关重要的作用，甚至决定了非彩虹结构色的存在与否。
这些结果证明了利用人眼直接区分不同类型DLC膜的可能性，亦可以加速DLC膜在节能、光学滤光片、传感器、色彩渐变涂层、高级奢侈品和仿生领域的应用。
Ta-C彩色膜通常是采用阴极磁过滤真空电弧技术制备。这种膜层的制备技术是在高真空条件下，将碳源气体导入阴极室，利用磁过滤技术将阴极放电产生的碳离子加速并轰击基体表面，从而实现碳原子在基体表面的沉积和成膜。但这种方法存在沉积速率低、均匀性差等问题，规模化应用挑战大。
高功率脉冲磁控溅射（High power impulse magnetron sputtering, HiPIMS）通过施加低占空比的瞬时高功率脉冲，大幅提高了磁控溅射等离子体密度（可达 1019 m−3 量级），可用来调控薄膜组分和微结构，制备光滑致密薄膜，使其获得优异力学、光学和电学等特性。这些特性使 HiPIMS 在 a-C 薄膜组分、结构、性能调控及大面积制备上兼具重要科研价值和应用前景[3]。图2为新铂科技（东莞）公司研发的HiPIMS电源制备的a-C彩色膜。
图2 HiPIMS电源制备的a-C彩色膜
参考文献：
[1] T. J. MORAVEC, Color chart for diamond-like carbon films on silicon[J], Thin Solid Films, 70 (1980)L9-L10
[2] XiaoLong Zhou, etal, Colorful Diamond-Like Carbon Films from Different Micro/Nanostructures[J], Adv. Optical Mater.,2020, 1902064
[3] 左潇，孙丽丽，汪爱英等，高功率脉冲磁控溅射制备非晶碳薄膜研究进展[J]，表面技术， 48（2019）：53-63
