掺杂类金刚石（DLC）薄膜的分子动力学及第一性原理研究

作     者：康荣珍 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吕振林;吴引江

授予年度：2024年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：类金刚石薄 分子动力学 第一性原理 性能计算 微观机理 

摘      要：类金刚石薄膜(DLC)因具有高硬度、低摩擦及长寿命等优势而广泛地应用于电子电器、航空航天、生物医疗等重要领域。上述工业领域关键机械运动部件的使用环境日益复杂和苛刻,对DLC薄膜的性能提出了更高的要求。亟需设计和开发摩擦系数更低、硬度更高、内应力更小、耐磨损更强的薄膜。研究发现,通过元素掺杂是改善或提高DLC薄膜性能的有效途径。DLC薄膜的制备和实验研究周期较长、成本较高,限制了其在工业领域的快速应用,需要探究一种行之有效的模拟设计方案,来完成DLC薄膜的结构设计、性能计算以及微观机理研究。因此本文采用分子动力学和第一性原理计算相结合的方法,探究了一种化合物(MoS2)和单质元素(W)掺杂DLC薄膜的新设计理念。通过分子动力学计算了掺杂DLC薄膜硬度、弹性模量、摩擦系数、径向分布函数(RDF)等,实现了对薄膜的结构设计和性能预测;通过第一性原理计算了掺杂DLC薄膜的布居函数、电子态密度、差分电荷密度,从成键情况和电子特性探究了掺杂元素影响掺杂DLC薄膜的内在机理;并结合现有的实验研究对上述模拟结果进行验证。本文得出的主要结论如下: (1)通过化合物(MoS2)、单质(W)的掺杂使薄膜的物化性能发生了部分改变,并且当掺杂物含量分别为7.12at.%、3.13at.%时,薄膜的综合性能最佳。这是因为当化合物MoS2、单质W刚掺入薄膜时,破坏了碳基网络结构,使部分C-C键长和键角发生了扭曲甚至断裂,断键的部分C原子与掺杂原子之间键合,形成新的共价键、离子键及不稳定的反键,sp2增多,薄膜体系发生了石墨化的过程,摩擦学性能得到改善;与此同时形成新键的键长大于C-C键长,MoS2-DLC薄膜体系结构增大,刚性结构降低,力学性能下降,而W-DLC薄膜的力学性能刚好与此相反。 (2)从成键情况来看,化合物(MoS2)的掺入使得碳基薄膜体系的键长变长,键能减弱,原子之间的成键能力减弱,且薄膜体系中的类共价键数量减少,使得掺杂DLC薄膜的力学性能变差。单质(W)的掺入使得碳基薄膜体系的键长变短,键能增强,原子之间的成键能力增强,且薄膜体系中类共价键的含量也在增加,使得掺杂DLC薄膜的力学性能变差。单质(W)的掺入使得碳基薄膜体系的键长变短,键能增强,原子之间的成键能力增强,且薄膜体系中类共价键的含量也在增加,使得掺杂DLC薄膜的力学性能得到提升;继续掺杂时薄膜体系的键长变长,键能减弱,原子之间的成键能力减弱,且类共价键减少,使得掺杂碳基薄膜体系力学性能变差。 (3)化合物/单质(MoS2/W)共同掺杂的DLC薄膜综合性能优于单一元素的掺杂。当掺杂物中的MoS2/W掺杂含量比为1.3时,MoS2/W-DLC薄膜的综合性能最佳。这是因为,化合物/单质(MoS2/W)共掺入DLC薄膜时,掺杂原子与C原子形成新的共价键、离子键及不稳定的反键,并且碳基薄膜体系中的共价键含量先减少后增多,原子之间的成键能力先减弱后增强,薄膜体系的键长先变长后变短,键能先减弱后增强,sp3、sp2先增多后减少,导致薄膜体系最初发生石墨化的过程,且形成的WxCy相为硬质相;随着元素的继续掺杂,掺杂原子由于饱和而游离在碳基网络结构中,划痕时与压头原子之间键合,使其摩擦学性能变差,摩擦系数增大。