Improvement of the Thermal Stability of Diamond-Like Carbon Films by Silicon Doping

Abstract

Diamond-like carbon (DLC) films are widely used for their high hardness, low friction, and excellent corrosion resistance. However, their performance at high temperatures is limited due to poor thermal stability. When temperatures exceed 300°C, the sp³ carbon bonds in DLC films transform into sp² bonds, resulting in graphitization and a significant loss of hardness and wear resistance. Therefore, improving the thermal stability of these films is essential for broadening their applications in high-temperature environments. This research aims to enhance the thermal stability of DLC films by introducing silicon doping through physical vapor deposition. The study investigates the effects of varying silicon content on the microstructure and high-temperature behavior of the films. Structural analysis reveals that silicon doping improves thermal stability. Before annealing, the silicon-doped films (with silicon concentrations of 4.66%, 8.33%, and 11.13%) exhibited ID/IG ratios of 0.22, 0.22, and 0.21, respectively, which are lower than the 0.23 observed in pure DLC films, indicating a higher proportion of sp³ bonds when silicon is present. Additionally, the refractive index and extinction coefficient slightly decreased from 2.93 to 2.80 and 1.32 to 1.30, respectively. Upon high-temperature annealing, the pure DLC film’s ID/IG ratio increased rapidly from 0.21 at 25°C to 0.96 at 500°C (an increase of 0.73), reflecting a significant transition toward a graphitic structure. In contrast, the silicon-doped film with 11.13% silicon saw an increase from 0.21 at 25°C to only 0.67 at 500°C (an increase of 0.48), demonstrating that silicon doping substantially enhances thermal stability. Consequently, the silicon-doped DLC films can preserve their diamond-like structure even at temperatures exceeding 300°C.

ฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรเป็นวัสดุเคลือบผิวที่มีความแข็งสูง มีแรงเสียดทานต่ำ และทนทานต่อการกัดกร่อน แต่การใช้งานที่อุณหภูมิสูงถูกจำกัดเนื่องจากความเสถียรทางความร้อนต่ำ เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 300°C โครงสร้างพันธะคาร์บอนแบบ sp³ ในฟิล์มฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรจะเปลี่ยนเป็นพันธะคาร์บอนแบบ sp² (เกิดการกลายเป็นกราไฟต์) ส่งผลให้ฟิล์มสูญเสียความแข็งและความต้านทานการสึกหรอลง ดังนั้นการปรับปรุงความเสถียรทางความร้อนของฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการขยายขอบเขตการใช้งานในสภาวะอุณหภูมิสูง งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์ในการเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนของฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรด้วยวิธีการเจือซิลิกอน โดยใช้เทคนิคการตกสะสมแบบไอเชิงกายภาพภายใต้การปรับเปลี่ยนปริมาณการเจือซิลิกอนและศึกษาอิทธิพลของการเจือซิลิกอนในฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรที่ส่งผลต่อโครงสร้างระดับจุลภาคและพฤติกรรมของฟิล์มเมื่อเผชิญกับอุณหภูมิสูง ด้วยวิธีการเจือซิลิกอนจะนำไปสู่การขยายขอบเขตของการประยุกต์ใช้งานฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรที่อุณหภูมิสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ผลการวิเคราะห์โครงสร้าง พบว่า การเจือซิลิกอนช่วยปรับปรุงความเสถียรทางความร้อนของฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรได้อย่างชัดเจน ฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรที่มีการเจือซิลิกอน (Si 4.66% Si 8.33% และ Si 11.13%) ก่อนการอบมีค่าอัตราส่วน ID/IG 0.22 0.22 และ 0.21 ตามลำดับ ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรบริสุทธิ์ มีค่าอัตราส่วน ID/IG 0.23 ซึ่งบ่งบอกถึงสัดส่วนพันธะคาร์บอนแบบ sp³ ที่สูงขึ้นเมื่อมีซิลิกอนอยู่ในโครงสร้าง นอกจากนี้ยังส่งผลให้ค่าดัชนีหักเหและสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงมีแนวโน้มลดลงจาก 2.93 เป็น 2.80 และ 1.32 เป็น 1.30 ตามลำดับ เมื่อทำการอบฟิล์มที่อุณหภูมิสูง ฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรบริสุทธิ์มีค่า ID/IG เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจาก 0.21 ที่ 25°C ไปถึง 0.96 ที่ 500°C เพิ่มขึ้น 0.73 ซึ่งบ่งชี้ถึงการเพิ่มขึ้นของโครงสร้างกราไฟต์ ในขณะที่ฟิล์มที่เจือซิลิกอน โดยเฉพาะที่สัดส่วนซิลิกอน 11.13% มีค่า ID/IG เพิ่มขึ้นจาก 0.21 ที่ 25°C ไปเป็น 0.67 ที่ 500°C เพิ่มเพียง 0.48 แสดงให้เห็นว่าการเจือซิลิกอนช่วยเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนของฟิล์มได้อย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้ฟิล์มคาร์บอนเสมือนเพชรที่เจือซิลิกอนสามารถรักษาโครงสร้างแบบเพชรไว้ได้แม้อุณหภูมิจะสูงกว่า 300°C