CN108359954A - 碳基薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及碳基薄膜及其制备方法，所述碳基薄膜包括碳元素和过渡族金属元素，过渡族金属元素的浓度分布在碳基薄膜的表层至内部的方向上含量逐渐增加而形成梯度结构，其中碳基薄膜的表面为富碳层，碳基薄膜中远离富碳层的部分为富金属层，在碳基薄膜中过渡族金属元素的含量为0～25.0at.％，不含0。其制备方法为：将过渡族金属靶材在工作气体环境中进行磁控溅射，在衬底上沉积得到碳基薄膜；其中，工作气体包括反应气体和溅射气体，反应气体过量，使得沉积过程处在靶中毒模式，反应气体为含碳气体或离化的含碳基团。本发明碳基薄膜的具有低残余应力、高硬度、高耐磨性等特性，且制备方法简单，避免多层、梯度层的复杂工艺步骤。

Description

碳基薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及薄膜技术领域，特别是涉及碳基薄膜及其制备方法。
背景技术
类金刚石薄膜(Diamond-likecarbon,DLC)是一种具有高硬度、低摩擦系数、高耐磨耐蚀性、宽透光范围、优异生物兼容性等多种优异性能的表面功能材料。可由多种物理/化学气相沉积法在低温下大面积均匀制备，基材适用范围广，在刀模具、电子信息器件、高精密制造、海工装备等诸多领域应用广阔。
但是，类金刚石薄膜存在残余应力大、低摩擦环境适应性差等问题。目前，掺杂金属元素是解决该问题的一种常见方法。但受元素掺杂含量的影响，薄膜在获得低残余应力的同时，往往会显著损伤薄膜的力学或摩擦学性能。因此，如何获得一种低残余应力、高硬度、高耐磨性的薄膜成为亟待解决的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种碳基薄膜及其制备方法，所述碳基薄膜通过筛选合适的过渡族金属元素和制备方法，使得碳基薄膜的表面为富碳层，底面为富金属层，过渡族金属元素的浓度分布从碳基薄膜的富碳层至富金属层逐渐增加形成梯度结构，从而能够显著降低碳基薄膜的应力，同时，使碳基薄膜具有高硬度、高耐磨性等特性。
一种碳基薄膜，所述碳基薄膜包括碳元素和过渡族金属元素，所述过渡族金属元素的浓度分布从在所述碳基薄膜的表层至内部的方向上含量逐渐增加而形成梯度结构，其中所述碳基薄膜的表面为富碳层，所述碳基薄膜中远离所述富碳层的部分为富金属层，在所述碳基薄膜中所述过渡族金属元素的含量为0～25.0at.％，不含0。
上述碳基薄膜具有以下优点：第一，过渡族金属元素会让类金刚石薄膜的键长键角畸变得到释放，因此能够降低碳基薄膜的内应力。第二，碳基薄膜的表面为富碳层，底面为富金属层，过渡族金属元素的浓度分布从碳基薄膜的富碳层至富金属层逐渐增加形成梯度结构。该梯度结构能够有效缓解碳基薄膜在应用于硅、玻璃、陶瓷、金属等基体时与基体之间的热膨胀系数等热力学差异，使碳基薄膜和基体的结构相近，结合更好。第三，碳基薄膜的表面为富碳层，使得碳基薄膜具有类金刚石薄膜的优异特性。第四，由于碳基薄膜的表面为富碳层，金属掺杂量极少，因此对碳基薄膜石墨化的生成具有催化作用，而石墨具有自润滑功能，所以可以改善碳基薄膜的摩擦性能。因此，上述碳基薄膜具有低应力、高硬度和良好低摩擦适应性等特性，应用领域广阔。
本发明还提供上述碳基薄膜的制备方法，所述制备方法为：将过渡族金属靶材在工作气体环境中进行磁控溅射，在衬底上沉积得到碳基薄膜；
其中，所述工作气体包括反应气体和溅射气体，所述反应气体过量，使得沉积过程处在靶中毒模式，所述反应气体为含碳气体或离化的含碳基团。
上述碳基薄膜的制备方法中，通过控制工作气体中反应气体为过量，使得沉积发生靶中毒现象。在靶中毒情况下，碳基薄膜沉积受过渡族金属靶材的表面状态的变化而处于非平衡的过程。在这非平衡的过程中，首先，由于相同时间内，过渡族金属的生长速率大于类金刚石薄膜的生长速率，过渡族金属会优先沉积在衬底表面。接下来，由于过渡族金属对类金刚石薄膜生长的催化作用，促进了类金刚石薄膜的形成。而当类金刚石薄膜中非晶碳含量大于掺杂的过渡族金属含量时，过渡族金属的催化作用降低，导致类金刚石薄膜生长速率降低。此时，过渡族金属再次优先沉积于已经沉积好的碳基薄膜上，并再次促进类金刚石薄膜的形成，依次循环沉积得到相应厚度的碳基薄膜。但是，随着沉积过程的进行，由于过渡族金属靶材表面靶中毒现象的加剧，导致过渡族金属再次优先沉积于已经沉积好的碳基薄膜上时的沉积量始终低于之前的沉积量，从而随沉积的进行自发形成了过渡族金属含量随碳基薄膜厚度增加而逐渐降低的梯度结构。直到过渡族金属靶材表面完全中毒，沉积得到的碳基薄膜中的过渡族金属含量不再发生变化，沉积停止。从而最终在不改变反应气体通入速率与比例的情况下，自发形成了表层为富碳层，底层为富金属层，过渡族金属元素的浓度分布从碳基薄膜的表层至底层逐渐增加的梯度结构，工艺简单，避免多层、梯度层的复杂工艺步骤，具有可控性和可操作性，易于产业化。
附图说明
图1为实施例1获得的碳基薄膜的透射电镜照片；
图2为实施例3获得的碳基薄膜的透射电镜照片；
图3为实施例5获得的碳基薄膜的透射电镜照片；
图4为实施例1、实施例3与对比例1、对比例3的磨损率对比图。
具体实施方式
以下将对本发明提供的碳基薄膜及其制备方法作进一步说明。
本发明提供的碳基薄膜包括碳元素和过渡族金属元素，所述过渡族金属元素的浓度分布从在所述碳基薄膜的表层至内部的方向上含量逐渐增加而形成梯度结构，其中所述碳基薄膜的表面为富碳层，所述碳基薄膜中远离所述富碳层的部分为富金属层，在所述碳基薄膜中所述过渡族金属元素的含量为0～25.0at.％，不含0。
所述富碳层的浓度为0～1.0at.％，不含0，所述过渡族金属元素在所述富金属层的浓度为2.0～25.0at.％，过渡族金属元素的浓度从富碳层至富金属层逐渐增加形成梯度结构。
所述过渡族金属元素为Cu、Cr、W、Ni、Pt中的至少一种。以上金属对碳元素生长的催化作用更加明显，因此在自发形成具有分层的梯度结构金属掺杂碳膜来说，具有明显的优势，从而能够显著降低薄膜内应力、保持高硬度以及提高薄膜耐磨性能。其中，过渡元素为Cu时，在所述富碳层的浓度为0～0.98at.％，不含0，在所述富金属层的浓度为3.58～12.88at.％，浓度从富碳层至富金属层逐渐增加形成梯度结构。过渡元素为Cr时，在所述富碳层的浓度为0～0.79at.％，不含0，在所述富金属层的浓度为10.18～20.67at.％，浓度从富碳层至富金属层逐渐增加形成梯度结构。过渡元素为W时，在所述富碳层的浓度为0～0.76at.％，不含0，在所述富金属层的浓度为4.83～10.20at.％，浓度从富碳层至富金属层逐渐增加形成梯度结构。过渡元素为Ni时，在所述富碳层的浓度为0～0.63at.％，不含0，在所述富金属层的浓度为4.78～19.51at.％，浓度从富碳层至富金属层逐渐增加形成梯度结构。过渡元素为Pt时，在所述富碳层的浓度为0～0.47at.％，不含0，在所述富金属层的浓度为3.64～12.60at.％，浓度从富碳层至富金属层逐渐增加形成梯度结构。
上述碳基薄膜具有以下优点：第一，过渡族金属元素会让类金刚石薄膜的键长键角畸变得到释放，因此能够降低碳基薄膜的内应力。第二，碳基薄膜的表面为富碳层，底面为富金属层，过渡族金属元素的浓度分布从碳基薄膜的富碳层至富金属层逐渐增加形成梯度结构。该梯度结构能够有效缓解碳基薄膜在应用于硅、玻璃、陶瓷、金属等基体时与基体之间的热膨胀系数等热力学差异，使碳基薄膜和基体的结构相近，结合更好。第三，碳基薄膜的表面为富碳层，使得碳基薄膜具有类金刚石薄膜的优异特性。第四，由于碳基薄膜的表面为富碳层，金属掺杂量极少，因此对碳基薄膜石墨化的生成具有催化作用，而石墨具有自润滑功能，所以可以改善碳基薄膜的摩擦性能。因此，上述碳基薄膜具有低应力、高硬度和良好低摩擦适应性等特性，应用领域广阔。
本发明还提供上述碳基薄膜的制备方法，所述制备方法为：将过渡族金属靶材在工作气体环境中进行磁控溅射，在衬底上沉积得到碳基薄膜。
其中，所述工作气体包括反应气体和溅射气体。所述反应气体过量，在工作气体中的浓度≥12.5％，但不为100％，使得沉积过程处在靶中毒模式。影响靶中毒的因素主要是反应气体和溅射气体的比例，反应气体过量就会导致靶中毒。所述反应气体为含碳气体或离化的含碳基团。所述含碳气体为甲烷、乙炔或苯中的至少一种。所述离化的含碳基团通过离子源得到，使用的离子源可以为阳极层离子源、霍尔离子源等。所述溅射气体为氩气。
所述磁控溅射使用的电源为直流、射频、中频、高功率脉冲电源中的一种。
上述碳基薄膜的制备方法中，通过控制工作气体中反应气体为过量，使得沉积过程发生靶中毒现象。在靶中毒情况下，碳基薄膜沉积受过渡族金属靶材的表面状态的变化而处于非平衡的过程。在这非平衡的过程中，首先，由于相同时间内，过渡族金属的生长速率大于类金刚石薄膜的生长速率，过渡族金属会优先沉积在衬底表面。接下来，由于过渡族金属对类金刚石薄膜生长的催化作用，促进了类金刚石薄膜的形成。而当类金刚石薄膜中非晶碳含量大于掺杂的过渡族金属含量时，过渡族金属的催化作用降低，导致类金刚石薄膜生长速率降低。此时，过渡族金属再次优先沉积于已经沉积好的碳基薄膜上，并再次促进类金刚石薄膜的形成，依次循环沉积得到相应厚度的碳基薄膜。但是，随着沉积过程的进行，由于过渡族金属靶材表面靶中毒现象的加剧，导致过渡族金属再次优先沉积于已经沉积好的碳基薄膜上时的沉积量始终低于之前的沉积量，从而随沉积的进行自发形成了过渡族金属含量随碳基薄膜厚度增加而逐渐降低的梯度结构。直到过渡族金属靶材表面完全中毒，沉积得到的碳基薄膜中的过渡族金属含量不再发生变化，沉积停止。从而最终在不改变反应气体通入速率与比例的情况下，自发形成了表层为富碳层，底层为富金属层，过渡族金属元素的浓度分布从碳基薄膜的表层至底层逐渐增加的梯度结构，工艺简单，避免多层、梯度层的复杂工艺步骤，具有可控性和可操作性，易于产业化。
以下，将通过以下具体实施例对所述碳基薄膜及其制备方法做进一步的说明。
实施例1：
选择市面上购买的纯度为99.95％的Cu单质金属靶材，含碳气体选择高纯乙炔气体。将单晶硅衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水在超声波中各清洗10min，热风吹风机吹干后，置于真空腔体内，对腔室抽真空，使真空度为2.0×10-5mTorr。打开气体阀门，通入乙炔和氩气，乙炔的流量为10sccm，氩气的流量为70sccm，控制直流磁控溅射的工作电流为0.7A，工作气体压强为4.3mTorr，沉积25分钟，得到Cu掺杂碳基薄膜，厚度为450nm。所得到的碳基薄膜的表层Cu原子百分含量为0.98at.％，底层Cu原子百分含量为12.88at.％，如图1所示，自发形成了表层为富碳层，底层为富金属层，金属元素的浓度分布从碳基薄膜的表层至底层逐渐增加的梯度分层结构。
经过测试，该碳基薄膜在5N、5Hz、与轴承钢球摩擦的磨损率为3.06×10-17m3/N·m，应力为1.2GPa，硬度为20.1GPa。
实施例2：
选择市面上购买的纯度为99.95％的Cu单质金属靶材，含碳气体选择高纯乙炔气体。将单晶硅衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水在超声波中各清洗10min，热风吹风机吹干后，置于真空腔体内，对腔室抽真空，使真空度为2.0×10-5mTorr。打开气体阀门，通入乙炔和氩气，乙炔的流量为20sccm，氩气的流量为65sccm，控制直流磁控溅射的工作电流为0.7A，工作气体压强为4.6mTorr，沉积30分钟，得到Cu掺杂碳基薄膜，厚度为510nm。所得到的碳基薄膜的表层Cu原子百分含量为0.37at.％，底层Cu原子百分含量为3.58at.％，自发形成了表层为富碳层，底层为富金属层，金属元素的浓度分布从碳基薄膜的表层至底层逐渐增加的梯度分层结构。
经过测试，该耐磨碳基薄膜在5N、5Hz、与轴承钢球摩擦的磨损率为2.07×10-17m3/N·m，应力为1.13GPa，硬度为22.3GPa。
实施例3：
选择市面上购买的纯度为99.95％的Cr单质金属靶材，含碳气体选择高纯甲烷气体。将单晶硅衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水在超声波中各清洗10min，热风吹风机吹干后，置于真空腔体内，对腔室抽真空，使真空度为2.0×10-5mTorr。打开气体阀门，通入甲烷和氩气，甲烷的流量为12sccm，氩气的流量为60sccm，控制射频磁控溅射的工作电流为1.8A，工作气体压强为4.1mTorr，沉积30分钟，得到Cr掺杂碳基薄膜，厚度为430nm。所得到的碳基薄膜的表层Cr原子百分含量为0.27at.％，底层Cr原子百分含量为10.18at.％，如图2所示，自发形成了表层为富碳层，底层为富金属层，金属元素的浓度分布从碳基薄膜的表层至底层逐渐增加的梯度分层结构。
经过测试，该耐磨碳基薄膜在5N、5Hz、与轴承钢球摩擦的磨损率为3.69×10-17m3/N·m，应力为1.1GPa，硬度为19.4GPa。
实施例4：
选择市面上购买的纯度为99.95％的Cr单质金属靶材，含碳气体选择高纯甲烷气体。将单晶硅衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水在超声波中各清洗10min，热风吹风机吹干后，置于真空腔体内，对腔室抽真空，使真空度为2.0×10-5mTorr。打开气体阀门，通入甲烷和氩气，甲烷的流量为12sccm，氩气的流量为80sccm，控制直流磁控溅射的工作电流为1.8A，工作气体压强为4.5mTorr，沉积30分钟，得到Cr掺杂碳基薄膜，厚度为460nm。所得到的碳基薄膜的表层Cr原子百分含量为0.79at.％，底层Cr原子百分含量为20.67at.％，自发形成了表层为富碳层，底层为富金属层，金属元素的浓度分布从碳基薄膜的表层至底层逐渐增加的梯度分层结构。
经过测试，该耐磨碳基薄膜在5N、5Hz、与轴承钢球摩擦的磨损率为7.96×10-17m3/N·m，应力为1.2GPa，硬度为20.6GPa。
实施例5：
选择市面上购买的纯度为99.95％的Cu/Cr复合金属靶材，含碳气体选择高纯乙炔气体，使用霍尔离子源得到离化的含碳基团。将单晶硅衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水在超声波中各清洗10min，热风吹风机吹干后，置于真空腔体内，对腔室抽真空，使真空度为2.0×10-5mTorr。打开气体阀门，通入乙炔和氩气，乙炔的流量为12sccm，氩气的流量为68sccm，采用霍尔离子源得到离化的含碳基团，采用直流磁控溅射沉积金属元素，控制霍尔离子源灯丝电流为30A，直流磁控溅射的工作电流为1.8A，工作气体压强为4.5mTorr，沉积30分钟，得到Cu和Cr掺杂碳基薄膜，厚度为680nm。所得到的碳基薄膜的表层Cr和Cu原子百分含量为0.56at.％，底层Cr和Cu原子百分含量为22.66at.％，如图3所示，自发形成了表层为富碳层，底层为富金属层，金属元素的浓度分布从碳基薄膜的表层至底层逐渐增加的梯度分层结构。
经过测试，该耐磨碳基薄膜在5N、5Hz、与轴承钢球摩擦的磨损率为1.12×10-17m3/N·m，应力为0.98GPa，硬度为18.9GPa。
实施例6：
选择市面上购买的纯度为99.95％的W单质金属靶材，含碳气体选择高纯乙炔气体。将单晶硅衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水在超声波中各清洗10min，热风吹风机吹干后，置于真空腔体内，对腔室抽真空，使真空度为2.0×10-5mTorr。打开气体阀门，通入乙炔和氩气，乙炔的流量为20sccm，氩气的流量为60sccm，控制直流磁控溅射的工作电流为2.0A，工作气体压强为4.3mTorr，沉积30分钟，得到W掺杂碳基薄膜，厚度为400nm。所得到的碳基薄膜的表层W原子百分含量为0.22at.％，底层W原子百分含量为10.2at.％，自发形成了表层为富碳层，底层为富金属层，金属元素的浓度分布从碳基薄膜的表层至底层逐渐增加的梯度分层结构。
经过测试，该耐磨碳基薄膜在5N、5Hz、与轴承钢球摩擦的磨损率为1.25×10-17m3/N·m，应力为1.24GPa，硬度为20.68GPa。
实施例7：
选择市面上购买的纯度为99.95％的Ni单质金属靶材，含碳气体选择高纯苯气体。将单晶硅衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水在超声波中各清洗10min，热风吹风机吹干后，置于真空腔体内，对腔室抽真空，使真空度为2.0×10-5mTorr。打开气体阀门，通入苯和氩气，乙炔的流量为10sccm，氩气的流量为70sccm，控制直流磁控溅射的工作电流为2.0A，工作气体压强为4.3mTorr，沉积40分钟，得到Ni掺杂碳基薄膜，厚度为550nm。所得到的碳基薄膜的表层Ni原子百分含量为0.63at.％，底层Ni原子百分含量为19.51at.％，自发形成了表层为富碳层，底层为富金属层，金属元素的浓度分布从碳基薄膜的表层至底层逐渐增加的梯度分层结构。
经过测试，该耐磨碳基薄膜在5N、5Hz、与轴承钢球摩擦的磨损率为4.47×10-17m3/N·m，应力为1.0GPa，硬度为19.8GPa。
实施例8：
选择市面上购买的纯度为99.95％的Pt单质金属靶材，含碳气体选择高纯乙炔气体。将单晶硅衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水在超声波中各清洗10min，热风吹风机吹干后，置于真空腔体内，对腔室抽真空，使真空度为2.0×10-5mTorr。打开气体阀门，通入乙炔和氩气，乙炔的流量为10sccm，氩气的流量为70sccm，采用阳极层离子源离化乙炔气体，采用直流磁控溅射沉积金属元素，控制阳极层离子源工作电流为0.2A，直流磁控溅射的工作电流为1.2A，工作气体压强为4.3mTorr，沉积20分钟，得到Pt掺杂碳基薄膜，厚度为510nm。所得到的碳基薄膜的表层Pt原子百分含量为0.47at.％，底层Ni原子百分含量为12.60at.％，自发形成了表层为富碳层，底层为富金属层，金属元素的浓度分布从碳基薄膜的表层至底层逐渐增加的梯度分层结构。
经过测试，该耐磨碳基薄膜在5N、5Hz、与轴承钢球摩擦的磨损率为6.56×10-17m3/N·m，薄膜应力为0.89GPa，硬度为17.9GPa。
对比例1：
对比例1与实施例1的区别在于，掺杂金属为Al，得到Al掺杂碳基薄膜，厚度为510nm。所得到的碳基薄膜不具有自发分层的梯度结构，掺杂Al原子百分含量为4.0at.％。
经过测试，该碳基薄膜在5N、5Hz、与轴承钢球摩擦的磨损率为1.68×10-16m3/N·m，薄膜应力为2.0GPa，硬度为16.8GPa。
对比例2：
对比例2与实施例8的区别在于，掺杂金属为Al，得到Al掺杂碳基薄膜，厚度为620nm。所得到的碳基薄膜不具有自发分层的梯度结构，掺杂Al原子百分含量为27.0at.％。
经过测试，该碳基薄膜在5N、5Hz、与轴承钢球摩擦半小时已经完全消耗，暴露基体，薄膜应力为1.8GPa，硬度为13.6GPa。
对比例3：
对比例3与实施例1的区别在于，掺杂金属为Sn，得到Sn掺杂碳基薄膜，厚度为500nm。掺杂Sn原子百分含量为3.6at.％，所得到的碳基薄膜不具有自发分层的梯度结构。
经过测试，该碳基薄膜在5N、5Hz、与轴承钢球摩擦的磨损率为2.15×10-16m3/N·m，薄膜应力为1.8GPa，硬度为13.5GPa。
如图4所示，与对比例1和对比例3相比，本发明表层为富碳层，底层为富金属层，过渡族金属元素的浓度分布从表层至底层逐渐增加，形成梯度结构的碳基薄膜具有类金刚石薄膜的优异特性，同时，还具有低应力、良好低摩擦适应性的优异特性。
对比例4：
对比例4与实施例8的区别在于，掺杂金属为Sn，得到Sn掺杂碳基薄膜，厚度为415nm。掺杂Sn原子百分含量为3.25at.％，所得到的碳基薄膜不具有自发分层的梯度结构。
经过测试，该碳基薄膜在5N、5Hz、与轴承钢球摩擦的磨损率为2.07×10-16m3/N·m，薄膜应力为2.0GPa，硬度为14.2GPa。
对比例5：
对比例5与实施例1的区别在于，掺杂金属为Mg，得到Mg掺杂碳基薄膜，厚度为650nm。掺杂Mg原子百分含量为6.35at.％，所得到的碳基薄膜不具有自发分层的梯度结构。
经过测试，该碳基薄膜在5N、5Hz、与轴承钢球摩擦的磨损率为7.94×10-16m3/N·m，薄膜应力为1.67GPa，硬度为10.7GPa。
对比例6：
对比例6与实施例8的区别在于，掺杂金属为Mg，得到Mg掺杂碳基薄膜，厚度为615nm。掺杂Mg原子百分含量为4.25at.％，所得到的碳基薄膜不具有自发分层的梯度结构。
经过测试，该碳基薄膜在5N、5Hz、与轴承钢球摩擦的磨损率为6.23×10-16m3/N·m，薄膜应力为1.78GPa，硬度为12.7GPa。
对比例7：
对比例7与实施例1的区别在于，乙炔流量为8sccm，氩气流量为70sccm，得到Cu掺杂碳基薄膜，厚度为400nm。沉积过程中靶材没有出现中毒，所得到的碳基薄膜不具有梯度结构，掺杂Cu含量为25.75at.％。
经过测试，该碳基薄膜在5N、5Hz、与轴承钢球摩擦的磨损率为28.5×10-16m3/N·m，薄膜应力为0.8GPa，硬度为8.5GPa。
对比例8：
对比例8与实施例4的区别在于，甲烷流量为6sccm，氩气流量为80sccm，得到Cr掺杂碳基薄膜，厚度为440nm。沉积过程中靶材没有出现中毒，所得到的碳基薄膜不具有梯度结构，掺杂Cr含量为26.55at.％。
经过测试，该碳基薄膜在5N、5Hz、与轴承钢球摩擦的磨损率为17.9×10-16m3/N·m，薄膜应力为2.3GPa，硬度为13.4GPa。
对比例9：
对比例9与实施例8的区别在于，乙炔流量为6sccm，氩气流量为70sccm，得到Pt掺杂碳基薄膜，厚度为580nm。沉积过程中靶材没有出现中毒，所得到的碳基薄膜不具有梯度结构，掺杂Pt含量为32.45at.％。
经过测试，该碳基薄膜在5N、5Hz、与轴承钢球摩擦的磨损率为31.5×10-16m3/N·m，薄膜应力为0.7GPa，硬度为7.6GPa。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种碳基薄膜，其特征在于，所述碳基薄膜包括碳元素和过渡族金属元素，所述过渡族金属元素的浓度分布从在所述碳基薄膜的表层至内部的方向上含量逐渐增加而形成梯度结构，其中所述碳基薄膜的表面为富碳层，所述碳基薄膜中远离所述富碳层的部分为富金属层，在所述碳基薄膜中所述过渡族金属元素的含量为0～25.0at.％，不含0。
2.根据权利要求1所述的碳基薄膜，其特征在于，所述过渡族金属元素在所述富碳层的浓度为0～1.0at.％，不含0，所述过渡族金属元素在所述富金属层的浓度为2.0～25.0at.％。
3.根据权利要求1所述的碳基薄膜，其特征在于，所述过渡族金属元素为Cu、Cr、W、Ni、Pt中的至少一种。
4.一种碳基薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：将过渡族金属靶材在工作气体环境中进行磁控溅射，在衬底上沉积得到碳基薄膜；
其中，所述工作气体包括反应气体和溅射气体，所述反应气体过量，使得沉积过程处在靶中毒模式，所述反应气体为含碳气体或离化的含碳基团。
5.根据权利要求4所述的碳基薄膜的制备方法，其特征在于，所述含碳气体为甲烷、乙炔或苯中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的碳基薄膜的制备方法，其特征在于，所述离化的含碳基团通过离子源得到。
7.根据权利要求4所述的碳基薄膜的制备方法，其特征在于，所述工作气体中反应气体的浓度≥12.5％，不含100％。
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