[发明专利]一种基体表面高导电性的碳基涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料表面涂层技术领域，尤其涉及一种具有高导电性的碳基涂层及其制备方法。

背景技术

在许多电子器件中，接触电阻的大小是影响器件结构和性能的关键。例如，在固体铝电解电容器中，阴极铝箔表面的致密氧化膜使得电解质与铝箔电极之间具有较大的接触电阻，从而导致电容器容量损耗巨大。在能源领域的质子交换膜燃料电池中，由于不锈钢双极板表面的钝化层与碳纤维扩散层间的接触电阻很大，大大降低了燃料电池的输出功率。上述电子器件中提到的接触电阻受接触面积以及接触材料表面导电性两方面因素的影响。铝、不锈钢等金属虽具有优异的内部导电性，然而其裸露表面形成的钝化膜或氧化膜却是半导体或绝缘特征，这极大限制了有关材料器件的性能应用，因此迫切需要研究发展一种降低材料表面电阻、提高其表面导电特性的材料技术，这对新型超级电容器和传感器件等的发展尤为重要。

在材料表面物理气相沉积非晶碳基涂层材料技术具有集成化、多功能化、绿色化、低温，且易于大面积制备等优异特点，是实现材料表面导电特性的有效解决途径。

在非晶碳基涂层中，受沉积过程能量离子的轰击，碳原子通常具有sp³和sp²两种成键方式。在σ-sp³键态中，C原子的外层4个价电子均与相邻的碳原子结合形成强四面体的σ共价键；而在π-sp²键态中，C原子外层4个价电子中的3个价电子形成σ键，第4个则形成π键，π键中的自由电子使得sp²键态呈现良好导电性。因此，对于非晶碳涂层，其力学和机械性能通常取决于结构中的sp³键态结构和含量，而其电学特性则主要由结构中的sp²键态微结构和含量决定。

目前，在非晶碳涂层材料研究方面，人们常把sp²健态为主构成的非晶碳涂层称为类石墨涂层，并发现，调控涂层沉积过程中的工艺参数(例如溅射电流、基体偏压等)，可改变类石墨碳涂层的内部结构，从而可调控其导电特性。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种基体表面的碳基涂层，其具有高导电性。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种基体表面高导电性的碳基涂层，该涂层由位于基体表面的过渡层以及位于过渡层表面的类石墨非晶碳层组成，所述的过渡层材料为铜；所述的过渡层与类石墨非晶碳层采用直流磁控溅射法沉积。

所述的基体材料不限，包括铝、不锈钢、钛等金属材料以及陶瓷、塑料、硅等绝缘或半导体材料。

所述的碳基涂层具有较低的电阻率，其电阻率能够低至7×10^-6Ω·cm以下。

本发明还提供了一种基体表面高导电性碳基涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)将清洗后的基体置于磁控溅射镀膜腔体，对腔体抽真空，然后调节基体负偏压为50V～300V，采用直流磁控溅射在惰性气体氛围中，以金属铜为靶材，在基体上溅射沉积铜过渡层；

(2)在惰性气体氛围中，以高纯石墨为靶材，在铜过渡层上溅射沉积类石墨非晶碳层；

所述的步骤(1)中，铜过渡层的厚度优选为50nm～300nm。

所述的步骤(1)中，铜溅射靶功率优选为1.5KW～2.1KW。

所述的步骤(1)中，腔体气压在0.3Pa～0.5Pa。

所述的步骤(1)中，作为优选，沉积铜过镀层之前，采用辉光等离子清洗基体，具体过程如下：

将基体置于真空腔体中，抽真空后通入氩气，使腔体气压在1Pa～1.3Pa，向基体施加400V～1200V负偏压，对基体进行辉光等离子体清洗。作为优选，抽真空至腔体气压为5×10^-3Pa以下。作为优选，所述的清洗时间为10分钟～30分钟。

所述的步骤(2)中，类石墨非晶碳层的厚度为100nm～1500nm。

所述的步骤(2)中，石墨溅射靶功率为1.2KW～2.4KW。

所述的步骤(2)中，腔体气压在0.3Pa～0.5Pa。

综上所述，本发明中，基体表面的涂层由直流磁控溅射法沉积的铜层和类石墨非晶碳层组成，铜层作为过渡层，类石墨非晶碳层作为表面层，该结构有利于类石墨非晶碳涂层的芳香类环状sp²结构断链，形成链状sp²键，从而具有更多的自由电子，以降低涂层的电阻率。本发明还提供了一种采用直流磁控溅射制备铜和类石墨非晶碳双层复合结构的方法，其具有如下技术优点：