碳材料的分类

碳是自然界中丰富的元素之一，钻石(Diamond)、石墨(Graphite)、石墨烯(Graphene)、奈米碳管(Carbon Nanotube)、C60 (Buckyballs)皆为元素碳的同素异形体(Allotropes )。类钻石(Diamond-like Carbon，DLC)是一种非晶形的碳材料，其诸多的材料性质类似于钻石，例如高硬度、耐磨耗、低摩擦系数，因而得名为类钻石。

1. 钻石：由sp3键结碳所构成，碳原子间为单键，是自然界中最硬的材料(硬度可达100 GPa)。
2. 石墨：由单原子层石墨片一层一层堆叠起来的，每一层石墨片是sp2键结碳所构成，碳原子间为双键，理论上硬度会比钻石高(因为双键的键能强度大于单键)，但由于层与层之间只靠键能很弱的凡德瓦力吸引，因此硬度相当软(硬度小于1 GPa)。
3. 石墨烯：将单原子层石墨片取出来，即为石墨烯。
4. 奈米碳管：可类比成将石墨片的卷曲起来，区分为单层奈米碳管、双层奈米碳管、多层奈米碳管。
5. C60：由60个碳原子所构成的球体结构，直径约0.71 nm。
6. 类钻石：主要是由高浓度sp3键结碳与sp2键结碳所构成，有时存在相当少量的sp1键结碳。又根据膜中氢含量的有无，可区分为：

• 含氢类钻石膜(Hydrogenated DLC，Hydrogenated Amorphous Carbon，aC:H)：膜中氢含量范围约10~60 %，氢含量(氢原子终端基即为一种缺陷)愈少则薄膜硬度愈高，硬度范围10~40 GPa。
• 不含氢类钻石膜(Non-hydrogenated DLC，Amorphous Carbon，a-C)：由于膜中没有氢原子终端基(Terminated Group)存在，硬度会比a-C:H高，硬度范围40~80 GPa。

镀制DLC膜的常见方法有电浆增强化学气相沉积法(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)、离子束辅助沉积法(Ion-beam Assisted Deposition，IBAD)、溅射沉积法(Sputtering Deposition) 、磁过滤阴极电弧法(Filtered Cathodic Arc Deposition，FCAD)、脉冲雷射沉积法(Pulsed Laser Deposition，PLD)等。一般含氢DLC膜可藉由调控制程参数(例如基板偏压、电浆密度)以控制膜中sp3键的比例，达到优异的机械性质，例如硬度可从10 GPa调控到40 GPa。

DLC膜拥有高硬度、低摩擦系数、高致密度、耐磨耗、耐腐蚀性、高化学稳定性、生物相容性等特点，以及可于室温下成长，因此广泛应用于切削刀具涂层、钻头涂层、模造玻璃脱膜层、光碟模具、汽机车摩润零件、装饰镀膜(如手表外壳、手机外壳、太阳眼镜)、阻隔包装材料、医用植入体材料、液晶配向膜、电阻式记忆体等。

高压缩应力(Compressive Stress)、热稳定性不佳及缺乏韧性(Toughness)，一直是DLC膜的三大缺点，限缩了DLC膜的应用范围，针对这些缺点的解决策略如下：

1. 过大的压缩应力会使DLC膜容易产生剥落，导致DLC膜无法成长超到1μm的厚度，因此如何有效的降低应力一直是DLC膜的研究重点，通常藉由添加一些金属元素(如Ti) 、热退火、软硬交替的多层膜、或是加入奈米颗粒来达到应力释放(Stress Relaxation)之效果。
2. 含氢DLC最高使用温度约350℃，不含氢DLC最高使用温度约450 ℃，藉由掺杂一些金属元素或非金属元素使其成为合金化薄膜，可以有效改善DLC膜的热稳定性。
3. DLC膜是一种硬而脆的材料，由于DLC结构上为非晶形，缺乏弹性变形或塑性变形之变形机制，当施予外加应力到达一定力量时，随即产生脆裂而剥落，这可借由添加金属元素使膜中产生奈米金属颗粒或金属碳化物颗粒、多层膜结构、或是梯度层设计来增加DLC膜的破裂韧性。

现今，随着新型薄膜制备工艺(例如：High-power Pulsed Magnetron Sputtering， HPPMS)与材料设计理论(例如：含富勒烯结构的类钻石膜、含奈米颗粒的类钻石复合薄膜)不断地精进与发展，材料制作成本也有效地降低，并且压缩应力、热稳定性、摩润性及韧性问题皆逐步改善中，使得DLC膜在工程的应用范围亦逐步扩大。

各類DLC膜层特性

备注 引述大永真空-研发部