類金剛石碳

類金剛石碳(Diamond-like Carbon，DLC)中除無定型結構的碳之外，還包含有少量的金剛石微晶、石墨微晶等，其物理性能與金剛石非常相似。由於製備類金剛石的原料為碳氫化合物，因此在類金剛石中除碳外，還含有較多的碳-氫基團;隨其中碳-氫基團的種類和數量不同，類金剛石的性質亦有較大變化。

基本介紹

• 中文名：類金剛石碳
• 外文名：Diamond-like Carbon
• 縮寫：DLC
• 特點：物理性能與金剛石非常相似

簡介

類金剛石碳（Diamond-like carbon，DLC）是存在有七種不同的形式，卻表現出一些金剛石特性的無定形碳。由於它的一些特性，它通常被用作其它材料的塗層材料。所有的七種形式都擁有大量sp雜化的碳原子。它們屬於不同類型的原因是，即使是金剛石也被發現有兩種晶型：其中最常見的一種是立方晶體，而最不常見的一種(藍絲黛爾石)是六方晶體。通過在納米尺度結構的不同方法混合這些晶型，類金剛石塗層可以同時擁有非晶、有彈性，且是純sp雜化連線的"金剛石"。其中最硬、最強、最光滑的是被稱為 四面體非晶碳（ta-C）的一種混合物。例如，僅僅2微米厚度的ta-C塗層可以增加常規 (例如304型)不鏽鋼針對磨料磨損的抵抗力，從而增加其在這類使用中的壽命從1周到85年不等。這種ta-C可以被認為是"純"形式的類金剛石碳，因為它僅僅由sp連線的碳原子組成。一些填料例如氫，石墨sp雜化碳，以及金屬，被用在其它六種類金剛石碳中，以減少生產費用或者增加其它的一些性能。這些種類的類金剛石几乎可以用在任何具有兼容真空環境的材料中。在2006年，歐盟內的外包類金剛石塗層市場估計市值達約三千萬歐元。2011年11月，每日科學雜質報告說史丹福大學的研究人員已經在超高壓的條件下製造出了一種超硬的非晶金剛石，它並沒有金剛石的晶體結構，卻擁有碳的輕質量。

無定形碳雖然不與人體組織形成化學鍵合，但允許人體軟組織長入碳的空隙，形成牢固結合，碳周圍的人體軟組織可迅速再生，有人認為無定形碳具有誘發組織生長的作用。由於無定形碳獨特的表面組成和表面結構，與血液長期接觸引起的凝血作用非常小，不會誘發血栓，因而廣泛套用作心血管材料。

天然金剛石和合成金剛石的區別

天然生成的金剛石常常發現有幾乎純結晶形式的立方取向的sp雜化的碳原子。有時候它們會有一些缺陷或者是雜質原子，這使它們有一定的顏色，但是晶格仍然是立方結構而且鍵合仍然是純粹的sp雜化。立方晶型的內部能量比六方晶型要略低，而且就從熔融材料中生長速率而言，無論是自然形成還是合成金剛石都足夠的慢，使得晶格有時間以最低的能量（立方）生長，從而使sp雜化的碳原子成為可能。相比之下，類金剛石碳是由具有高能量前驅碳（例如電漿、陰極電弧沉積、濺射沉積以及離子束沉積）在相對冷的表面上快速冷卻或淬火而成。在這些情況下，立方晶格和六方晶格被一層層的隨機混合，因為在碳原子被“凍結”在材料表面之前並沒有足夠的結晶生長的時間。非晶類金剛石塗層可以導致沒有長程晶格有序。沒有長程有序就沒有脆性斷裂平面，因此塗層會比較有彈性、對基底材料的形狀有適應性，同時和金剛石一樣硬。事實上，這種性質已經被用來研究類金剛石碳在納米尺度上的原子間磨損。

生產

有數種方法來生產類金剛石碳，但都是基於, sp雜化鍵比sp雜化鍵小很多的事實。因此原子尺度上壓力、衝擊、催化或者是幾種方法的組合的套用可以迫使sp雜化碳原子結合在一起形成sp鍵合。這些作用必須足夠強使得這些原子能夠偏離sp鍵合的特性，而不能像彈簧一樣變形回來。一般的技術，要有一種足夠的壓力，要么能夠使sp雜化碳原子團簇深入到塗層內，使得沒有足夠的空間讓sp雜化擴張回來，要么這些新的團簇就很快被下一輪新到來的碳所埋。可以把這個過程想像成為下冰雹一樣的一種更局部化、更快、更加納米的熱壓結合條件來生產天然和合成的金剛石。由於它們獨立的發生在生長薄膜或塗層表面的許多地方，它們傾向於形成類似於鵝卵石街道一樣的表面，其中鵝卵石是指sp雜化碳的結核或團簇。根據所使用的特定生產工藝，生產上會有很多碳沉積的周期，一些工藝例如連續的新碳元素到達比例和彈道運輸可以促使sp鍵合形成。其結果就是，ta-C可能有”鵝卵石街道“的結構，或者說結核會融在一起，就像一塊海綿或是鵝卵石一樣，小到幾乎不能看見。圖示為一個常規的"中等"形貌的ta-C薄膜。