DLC（Diamond Like Carbon，類金剛石）是一種含有金剛石結構（sp³鍵）和石墨結構（sp²鍵）的亞穩非晶態物質，具有以sp³鍵碳共價結合為主體并混合有sp²鍵碳的長程無序立體網狀結構。DLC材料作為21世紀戰略新材料之一，因具備質量穩定（化學惰性），硬度高，耐磨、耐腐蝕性好，摩擦系數低，與基體結合力強以及生物相容性好等優良性能，被廣泛應用于機械、汽車、光學、醫療、包裝印刷和電子材料等領域。研究表明，DLC膜的性質主要由sp²和sp³鍵的相對含量所決定。但由于sp³鍵的含量變化范圍廣，在不同工藝條件下制備的DLC膜的性能也有所不同。因此，表征DLC膜中碳原子的雜化和成鍵方式對研究其改性和制備工藝的改良極其重要。

X射線光電子能譜儀（XPS）擁有高表面靈敏（<10 nm）和高空間分辨(<10 um)的元素組分、元素含量以及化學態解析能力，結合離子束剝離技術和變角度XPS技術，還可以對膜層結構進行深度分析。此外，利用反射式電子能量損失譜（REELS），能夠獲得碳原子的雜化與成鍵方式。因此，結合XPS和REELS就能夠實現對DLC薄膜中sp²/sp³碳含量的全面表征。

DLC應用領域

REELS基本原理

    電子能量損失譜學是研究材料性質的重要手段，它通過分析電子束與材料相互作用過后的非彈性散射電子的能量損失分布，獲取材料的本征信息。其原理是利用已知動能的電子束轟擊材料，入射電子經歷和材料原子的非彈性碰撞，而發生角度偏轉與能量交換，能量交換過程來源于對材料的電子態激發，它因而包含了材料的能帶結構信息。REELS是反射式電子能量損失譜，利用特定能量的電子束為激發源，與樣品發生非彈性碰撞后測量其反射電子的能量分布。這種能量分布包含由于激發原子態、芯能級和價帶躍遷、材料帶隙等引起的離散能量損失特征。因此，利用REELS可以進行表面電子態、化學態分析，半導體帶隙的測量，碳sp²/sp³雜化的鑒定，H的半定量分析等。

REELS原理的示意圖

應用

根據在2005年德國工程師學會上制定的“碳涂層”標準，可將DLC薄膜分為不同的種類。若已知薄膜中的碳sp²、sp³雜化鍵的比例以及氫含量，即可獲得不同性能特征的DLC薄膜，并根據三元相圖確定樣品所對應的DLC膜的種類(如下圖所示)。

sp³、sp²和H成分組成的DLC三元相圖（t=tetrahedral四面體,

a=amorphous無定型, C=carbon碳, H=hydrogenated氫化）

結合XPS和REELS可以獲得樣品中sp²、sp³雜化碳的信息，從而判斷出DLC薄膜的種類。下圖（左）展示了, XPS對不同工藝下制備的DLC薄膜的定性和定量分析結果：結合能在284.5±0.2 eV和285.5±0.2 eV的特征峰分別歸因于sp²碳和sp³碳，并獲得了不同樣品中sp²/sp³碳的比值。

為進一步鑒定樣品中碳的sp²/sp³雜化，對樣品進行了原位REELS表征，結果見下圖（右）。C 1s core-loss采譜的能量范圍為E=280-320 eV。譜圖主要存在兩個特征峰：～285 eV處代表了1s→π^*躍遷峰；～292 eV處出現的是1s→σ^*躍遷峰。REELS結果表明在Graphite、a-C、a-C:H和ta-C樣品中都存在較強的π和π+σ等離子體損失峰。π等離子體峰寬度較小，π+σ等離子體峰展寬較大，π-等離激元的強度與不飽和鍵的數量有關，且晶體中的激發過程比非晶態的激發過程復雜得多。總之，REELS證明了樣品中sp²、sp³雜化碳的存在，且二者在不同碳材料中的比例各不相同。

不同類型碳材料的XPS（左）和REELS（右）譜圖結果：

a-C（無氫類金剛石碳膜）；a-C:H（氫化類金剛石碳膜）;

 ta-C（四面體非晶碳）; Diamond (金剛石);Graphite (石墨)

結論

PHI VersaProbe系列XPS可搭載REELS分析裝置，利用XPS評估DLC薄膜中sp²/sp³的比例，并借助REELS進一步鑒定碳的sp²和sp³雜化，二者相輔相成。總而言之，結合XPS和REELS可實現對碳材料樣品的原位表征，快速評估DLC薄膜樣品的性能，以輔助科研人員深入研究DLC薄膜。