碳材料的分類

碳是自然界中豐富的元素之一，鑽石(Diamond)、石墨(Graphite)、石墨烯(Graphene)、奈米碳管(Carbon Nanotube)、C60 (Buckyballs)皆為元素碳的同素異形體(Allotropes)。類鑽石(Diamond-like Carbon，DLC)是一種非晶形的碳材料，其諸多的材料性質類似於鑽石，例如高硬度、耐磨耗、低摩擦係數，因而得名為類鑽石。

1. 鑽石：由sp3鍵結碳所構成，碳原子間為單鍵，是自然界中最硬的材料(硬度可達100 GPa)。
2. 石墨：由單原子層石墨片一層一層堆疊起來的，每一層石墨片是sp2鍵結碳所構成，碳原子間為雙鍵，理論上硬度會比鑽石高(因為雙鍵的鍵能強度大於單鍵)，但由於層與層之間只靠鍵能很弱的凡德瓦力吸引，因此硬度相當軟(硬度小於1 GPa)。
3. 石墨烯：將單原子層石墨片取出來，即為石墨烯。
4. 奈米碳管：可類比成將石墨片的捲曲起來，區分為單層奈米碳管、雙層奈米碳管、多層奈米碳管。
5.  C60：由60個碳原子所構成的球體結構，直徑約0.71 nm。
6. 類鑽石：主要是由高濃度sp3鍵結碳與sp2鍵結碳所構成，有時存在相當少量的sp1鍵結碳。又根據膜中氫含量的有無，可區分為：

• 含氫類鑽石膜(Hydrogenated DLC，Hydrogenated Amorphous Carbon，a-C:H)：膜中氫含量範圍約10~60 %，氫含量(氫原子終端基即為一種缺陷)愈少則薄膜硬度愈高，硬度範圍10~40 GPa。
• 不含氫類鑽石膜(Non-hydrogenated DLC，Amorphous Carbon，a-C)：由於膜中沒有氫原子終端基(Terminated Group)存在，硬度會比a-C:H高，硬度範圍40~80 GPa。

DLC薄膜的製作方法

鍍製DLC膜的常見方法有電漿增強化學氣相沉積法(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)、離子束輔助沉積法(Ion-beam Assisted Deposition，IBAD)、濺射沉積法(Sputtering Deposition)、磁過濾陰極電弧法(Filtered Cathodic Arc Deposition，FCAD)、脈衝雷射沉積法(Pulsed Laser Deposition，PLD)等。一般含氫DLC膜可藉由調控製程參數(例如基板偏壓、電漿密度)以控制膜中sp3鍵的比例，達到優異的機械性質，例如硬度可從10 GPa調控到40 GPa。

DLC薄膜的優點及應用

DLC膜擁有高硬度、低摩擦係數、高緻密度、耐磨耗、耐腐蝕性、高化學穩定性、生物相容性等特點，以及可於室溫下成長，因此廣泛應用於切削刀具塗層、鑽頭塗層、模造玻璃脫膜層、光碟模具、汽機車摩潤零件、裝飾鍍膜(如手錶外殼、手機外殼、太陽眼鏡)、阻隔包裝材料、醫用植入體材料、液晶配向膜、電阻式記憶體等。

DLC薄膜的技術限制

高壓縮應力(Compressive Stress)、熱穩定性不佳及缺乏韌性(Toughness)，一直是DLC膜的三大缺點，限縮了DLC膜的應用範圍，針對這些缺點的解決策略如下：

1. 過大的壓縮應力會使DLC膜容易產生剝落，導致DLC膜無法成長超到1μm的厚度，因此如何有效的降低應力一直是DLC膜的研究重點，通常藉由添加一些金屬元素(如Ti)、熱退火、軟硬交替的多層膜、或是加入奈米顆粒來達到應力釋放(Stress Relaxation)之效果。
2. 含氫DLC最高使用溫度約350℃，不含氫DLC最高使用溫度約450 ℃，藉由摻雜一些金屬元素或非金屬元素使其成為合金化薄膜，可以有效改善DLC膜的熱穩定性。
3. DLC膜是一種硬而脆的材料，由於DLC結構上為非晶形，缺乏彈性變形或塑性變形之變形機制，當施予外加應力到達一定力量時，隨即產生脆裂而剝落，這可藉由添加金屬元素使膜中產生奈米金屬顆粒或金屬碳化物顆粒、多層膜結構、或是梯度層設計來增加DLC膜的破裂韌性。

現今，隨著新型薄膜製備工藝(例如：High-power Pulsed Magnetron Sputtering， HPPMS)與材料設計理論(例如：含富勒烯結構的類鑽石膜、含奈米顆粒的類鑽石複合薄膜)不斷地精進與發展，材料製作成本也有效地降低，並且壓縮應力、熱穩定性、摩潤性及韌性問題皆逐步改善中，使得DLC膜在工程的應用範圍亦逐步擴大。

各類DLC膜層特性

備註 引述大永真空-研發部