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车载红外系统是智能驾驶领域的关键核心部件[1-2]。其中，3–5 μm为中红外（Mid-Wave Infrared，MWIR）大气窗口波段。该波段是车载热成像系统的核心工作频段，主要是因为此波段内物体的热辐射强度高，且大气对该波段的吸收作用相对较弱[3]。
然而，在智能驾驶车辆的实际行驶过程中，雨蚀冲刷等复杂天气与路况条件，容易导致红外窗口表面的增透涂层受损、脱落，进而造成系统探测性能下降[4-5]，不仅限制了智能驾驶技术的进一步发展，更对智能驾驶行车安全构成了潜在威胁。因此，确保红外窗口的结构稳定与性能可靠，成为推动车载红外热成像系统高质量应用的关键前提。
针对上述红外窗口增透材料服役性能差等问题，现有研究表明，在红外窗口表面沉积类金刚石（Diamond Like Carbon，DLC）薄膜是一种有效的解决方案[6-7]。这是因为DLC薄膜在3−5 μm车载红外核心工作频段具有良好的红外透过性，能够适配车载红外窗口的应用需求。另一方面，DLC薄膜性能与sp3键的含量有关，当sp3键含量越高，薄膜的力学性能越接近金刚石，能够有效保护红外窗口免受外界腐蚀，延长红外窗口的使用寿命[8-13]。在DLC薄膜的多种制备方法中[14-17]，射频磁控溅射技术因具有膜层质量高、与基底结合力强、工艺参数可控性好等突出优点而被广泛采用[18]。因此，本研究选择采用射频磁控溅射技术制备DLC薄膜。
而对于红外窗口的DLC薄膜，其光学性能与薄膜厚度密切相关[19-21]，而沉积时间是调控薄膜厚度的关键工艺参数[22]。因此，研究沉积时间对薄膜结构及性能的影响规律，对于优化工艺、获得满足应用需求的DLC薄膜具有重要意义。例如，Yang Q等[23]采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统在沉积时间（10−30 min，5 min为梯度）下制备的DLC薄膜。当类金刚石碳膜的沉积时间增加时，其在300−800 nm的波长范围内的透射率下降。进一步地，崔丽等[24]采用直流磁控溅射技术在不同的沉积时间（2、8、15、20、32和40 min）下在聚醚醚酮（PEEK）表面制备DLC薄膜。随着沉积时间的延长，PEEK/DLC复合薄膜在紫外−可见−近红外范围（0−2500 cm−1）内的光透过率逐渐降低。
然而，现有关于DLC薄膜沉积时间这一工艺参数的对光学性能研究中，多数工作聚焦于其在紫外−可见−近红外波段的透射特性。并未覆盖车载热成像的3–5 μm波段工作波段，缺乏沉积时间如何通过厚度变化及生长过程中微观结构演变，共同作用于3–5 μm波段透过率与环境耐久性。
基于上述问题，本文聚焦3–5 μm红外窗口应用场景，旨在揭示射频磁控溅射工艺中沉积时间对DLC薄膜微观结构、3–5 μm波段红外透过性能及耐盐雾腐蚀性能的影响规律，为工艺优化与工程应用提供实验数据支撑。具体而言，通过SEM、拉曼和XPS对薄膜的形貌、化学键合表征，结合3–5 μm波段透过率测量与24 h中性盐雾试验，研究沉积时间对DLC薄膜红外透过性能与耐盐雾腐蚀性能的影响规律。本研究为车载红外窗口DLC镀层工艺优化提供了实验数据支撑。
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通过射频磁控溅射技术将DLC薄膜沉积于单晶硅（p100）衬底表面。沉积过程中采用纯度为 99.99% 的高纯氩气作为溅射气体。以直径75 mm、厚度5 mm 的99.99% 高纯石墨靶作为碳源。在沉积前，需要对硅片进行一系列的预处理。
首先在去离子水中超声清洗15 min以去除表面杂质，随后浸入10%的HF水溶液中清洗5 min以去除原生氧化硅层，最后再次用去离子水超声清洗15 min以清除残留的HF溶液及杂质。清洗完成后，先用吸水纸擦去表面水滴，然后使用氮气吹干机吹干，并固定于基片台上。
关闭真空室后，调节靶间距约7 cm，启动自动抽真空程序。当本底真空度达到5×10−4 Pa时，通入40 SCCM的氩气，并利用压强控制器调节分子泵插板阀开度，将真空室工作压力稳定在0.8 Pa。
随后，启动射频电源对石墨靶进行15 min的预溅射以清洁靶材表面，同时开启基片旋转功能（转速10 RPM）。随后移开基片挡板并启动膜厚仪，开始沉积DLC薄膜。实验研究不同的沉积时间对DLC薄膜的性能影响规律。详细工艺参数列于表1。
采用场发射扫描电子显微镜（FESEM，Sigma300，ZEISS，Germany）观察DLC薄膜的截面形貌。利用拉曼光谱仪（Horiba LabRAM HR Evolution，日本）分析了薄膜的分子结构特征和化学键振动模式。采用傅里叶变换红外光谱仪（Nicolet iS50，Thermo Fisher Scientific，USA）测试了薄膜的光学透过率。采用精密型盐雾试验机24 h中性盐雾腐蚀来测试确定是否满足耐腐蚀要求。
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为研究沉积时间对DLC薄膜微观结构的调控规律，并明确结构与性能之间的内在关联。本研究采用SEM对不同沉积时间下制备的DLC薄膜进行表面及截面形貌表征。通过观测薄膜表面和截面形貌、致密性、界面结合状态及厚度变化，为后续光学性能与耐腐蚀性能的分析提供微观形貌支撑。具体测试参数，加速电压为5.00 kV，二次电子模式，放大倍率为50000倍（对应图像标尺为200 nm）。
图1显示了不同沉积时间下沉积的DLC薄膜表面与截面SEM形貌。从表面形貌来看，在同一沉积时间下，DLC薄膜表面颗粒状结构尺寸均匀且紧密接触，形成的表面光滑、均匀、无明显缺陷。这种致密且均匀的表面有利于降低光在薄膜界面的散射损耗，从而防止光能量的分散[25]。无缺陷的光滑表面还可以减少光的散射，促进光的定向传输。随着沉积时间的增加，表面颗粒状结构尺寸增大。
对不同沉积时间下制备的DLC薄膜截面形貌进行分析，不同沉积时间下制备的DLC薄膜的截面形貌呈现明显差异。当沉积时间为1 h和2 h时，薄膜内部无明显孔隙缺陷，表现出较好的致密性，这有利于减少因内部散射引起的光损耗，确保光在薄膜中传输的连续性[26]。然而，当沉积时间增加为3 h和4 h，薄膜内部开始出现明显的孔隙缺陷（如图中红色圈所示），并且随沉积时间的延长而趋于严重。这些缺陷主要集中在薄膜与Si基底的界面区域。特别是在沉积4 h的样品中，薄膜在宏观上表现出样品圆周区域起皱与突起现象。
结合不同沉积时间下DLC薄膜的表面与截面形貌及相关文献[27-28]分析，其形貌结构演变与薄膜厚度的增加及内应力积累密切相关。随着沉积时间的增加，薄膜厚度逐渐增加，薄膜内部逐渐积累残余应力。当薄膜较薄时（S1、S2样品），这些应力尚可通过膜基界面的弹性协调得以容纳，薄膜结构保持致密且无明显孔隙缺陷。随着厚度进一步增加（S3样品），累积应力逐渐超出界面结合力的承受范围，首先在界面薄弱处形成孔隙缺陷。当薄膜厚度继续增加（S4样品），内部累积的残余应力持续增大，最终诱发薄膜发生屈曲失稳。这一过程导致界面薄弱处形成孔隙缺陷进一步扩展与连通，以此释放累积的应变能。此外，通过SEM截面多次测量取均值并在图中标注出不同沉积时间下DLC薄膜的厚度。
如图2所示，通过SEM截面图像标定的不同沉积时间下DLC薄膜的厚度及对应的沉积速率。如图所示，DLC薄膜最大厚度为471.8 nm沉积时间为4 h，最小厚度为126.6 nm沉积时间1 h。沉积速率随沉积时间的变化呈现出先下降后上升的趋势。结合不同沉积时间下沉积速率结果和相关参考文献对其结果分析。
沉积速率从沉积时间1 h的2.11 nm/min下降到3 h的1.90 nm/min。这可能是因为形成连续、致密的DLC膜层[29]，可能供碳原子沉积附着的点位减少，导致表面吸附与迁移效率下降[24]。同时，薄膜内部残余应力的持续积累会扭曲表面原子结构，抑制后续原子的稳定附着，导致沉积速率降低[30]。随后从3 h的1.90 nm/min上升到4 h的1.97 nm/min。这可能是因为积累的残余应力超过界面结合能，部分应力通过薄膜突起等形变得到释放。该过程伴随界面局部分离与内部缺陷的形成。应力得到了释放，改善局部生长环境，使沉积粒子在部分区域更易吸附，从而在表观上引起沉积速率的轻微回升。
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如图3所示，为明确DLC薄膜的键合特性及杂化状态，本研究采用拉曼光谱（532 nm）对不同沉积时间制备的DLC薄膜进行表征[31]。拉曼位移范围从800 cm−1到2000 cm−1，两个特征峰D峰和G峰组成的相对宽条带，形成典型的DLC薄膜[32]。其中，G峰由所有sp2位点对烯烃链和芳环的拉伸模式产生。而D峰则由所有sp2位点对的呼吸模式产生，这些位点仅对应在芳香环结构中[33]。其中，ID/IG值被用于表征薄膜中sp2/sp3碳比例的变化趋势。
如图3所示，采用D峰与G峰双峰模型对拉曼光谱进行拟合，其拟合精度不足。对比图3（a），（b），可以观察到G峰低频一侧存在明显的不对称性，导致原始数据与拟合曲线拟合精度不足，表明该区域可能存在未被考虑的振动模式贡献。为进一步验证拟合模型的准确性，如图3（c）所示，残差曲线显示，在1500 cm−1附近采用双峰模型拟合的结果存在明显的残差峰。相比之下，在1500 cm−1附近引入峰后的三峰模型残差曲线趋于平直，拟合精度得到了提升，这表明该区域存在被忽略的振动模式贡献。
若忽略此贡献而继续使用双峰拟合，将导致G峰位置及半高宽判断失准，进而使基于D峰与G峰面积计算的ID/IG比值产生误差，严重影响对碳键结构变化的分析可靠性。所以采用三峰拟合，拟合后其峰值位置大约位于1370 cm−1（D峰）、1500 cm−1（A峰）和1580 cm−1（G峰）。而在1500 cm−1附近的A峰主要归因于无定形碳相[34]。这种三峰拟合方法对薄膜结构进行更细致的解释，能够更全面地反映薄膜的实际拉曼响应，反映出由不同沉积时间引起的键含量变化，从而提升了结构解析的准确性。
图4展示了不同沉积时间下DLC薄膜的拉曼光谱经三峰拟合后所得ID/IG比值的变化趋势。随着沉积时间的增加，ID/IG比值从2.32上升到2.98，表明薄膜中sp2相关结构的有序度和团簇尺寸持续增大，体现出明显的石墨化演化特征。结合不同沉积时间下沉积的DLC薄膜拉曼光谱分析结果和相关参考文献[30-33]对其结果分析。
这一变化源于沉积时间的增加，沉积在基片表面的碳原子有更充分时间进行表面迁移和结构重组，从而促进sp3键向更稳定的sp2键转变。这一结果与图1观察到的表面颗粒状结构尺寸随之增大现象相互印证。颗粒状结构尺寸增大的形貌变化通常对应于sp2碳簇的生长与合并过程，而ID/IG比值的上升也反映了sp2团簇的尺寸扩展与有序度提升。
当沉积时间为1 h、2 h时，薄膜在溅射初期，其生长过程会引入较高的本征残余压应力，而这种高应力环境被认为有利于sp3键结构的形成与稳定，从而在一定程度上抑制sp2相的生长[30]。同时，这与图1（a），（b）截面显示的内部无明显孔隙、较好的致密性与较高sp3相关结构特征相一致。随着沉积时间延长至3 h、4 h时，薄膜厚度持续增加，内部残余应力不断累积。如图1（c），（d）所示，当应力超过薄膜与基底界面结合能的承受范围时，沉积3 h时样品开始出现界面局部出现孔隙缺陷，而沉积4 h时薄膜的界面孔隙缺陷进一步扩大，且宏观表面出现局部起皱现象。此时，应力通过薄膜屈曲等形式实现释放，该释放过程为碳原子从sp3键向sp2键转变提供了驱动力与重组空间，从而导致ID/IG的比值的上升。
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为进一步明确DLC薄膜的键合特性和杂化状态，本研究使用XPS对不同沉积时间制备的DLC薄膜进行化学组分分析。如图5所示，展示了S1样品的DLC薄膜的全谱扫描结果，其中两个主要特征峰被标记出来，即C1s和O1s峰。其中C1s峰源于薄膜主体结构的杂化碳原子键合。而O1s峰的出现则可能因为薄膜在取出真空腔体后暴露于空气环境，表面的悬挂键（因表面原子成键终止形成不饱和轨道，具有极高的化学活性）极易与氧发生物理吸附或化学结合，形成含氧官能团等表面氧化污染[35]。另一方面，也可能来源于制备过程中真空腔内残余的微量H2O或O2等含氧分子可能参与了成膜过程。
为了分析DLC薄膜的键合特性和杂化状态，主要通过对C1s峰进行分峰拟合。在XPS数据分析中，通常将C1s精细谱中污染碳或主要碳组分的主峰峰位固定于284.8 eV，以此为基准进行谱图校准是XPS分析领域的常规操作[25,36]。该操作可以为不同样品分析C1s分峰提供了统一的基准，确保了分峰结果的可比性与键合组分定量分析的可靠性。
通过上述分析，将DLC薄膜XPS数据中的C1s精细光谱主要分为四个分量。其中位于~284.6 eV的拟合峰贡献来源于sp2-C，其峰面积反映薄膜中sp2键的相对含量。而位于~285.1 eV 的拟合峰来源于sp3-C，其峰面积反映薄膜中sp3键的相对含量。而位于~286.5 eV和~288.2 eV的拟合峰分别来源于C-O和C=O[37-40]。
如图6所示，基于XPS对不同沉积时间下DLC薄膜的键合结构进行分析，结果表明各键合组分的比例随沉积时间发生变化。其中C–O与C=O键的原子百分比变化较小，表明不同沉积时间下制备的DLC薄膜主体结构的变化主要由碳原子杂化态的转变所主导，而非受表面污染或氧化程度的影响。随着沉积时间的增加，sp2-C的拟合面积分量呈现明显的升高趋势，而相应的sp3-C分量则随之下降。
同时，通过计算图中sp2-C与sp3-C的峰面积之比，得到不同沉积时间制备下的DLC薄膜的sp2/sp3比值，结果显示该比值随着沉积时间的增加呈上升趋势。这与拉曼光谱分析ID/IG比值上升趋势一致，共同印证随沉积时间的增加，制备的DLC薄膜结构从高sp3键含量向高sp2键含量转变的趋势。此外，XPS与拉曼光谱分析数据的变化趋势相同，这进一步表明拉曼三峰拟合模型的必要性与准确性，有效保障了碳键杂化状态分析结果的可靠性。
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其中，3−5 μm为车载热成像系统核心工作频段。该波段内物体热辐射强、典型大气吸收相对较弱，使得系统能够在雾霾、弱光乃至完全无光条件下获得更高的探测对比度与更远的有效识别距离[3]。因此本文重点研究DLC薄膜在该波段的红外透过特性。为了提升分析的可靠性，对3−5 μm波段的透过率数据进行区间平均处理。如图7所示，展示了不同沉积时间下DLC薄膜在3−5 μm波段的平均红外透过率相对于纯Si基底的透过率提升率的测量结果。计算公式如下：
其中
$ \eta\mathrm{_i} $ 表示薄膜在3−5 μm波段平均透射提升率数据，$ T\mathrm{_i} $ 为DLC薄膜在3−5 μm波段的平均透射率，$ T\mathrm{_{Si}} $ 则代表硅基在3−5 μm波段的平均透射率。实验结果表明，随着沉积时间的增加，薄膜的红外透过提升率呈现出先升高后降低的变化趋势。具体而言，透过率提升率从S1样品的26.36%上升至S2样品的29.86%，随后开始下降，S4样品时仅为7.86%。结合SEM、XPS及拉曼光谱表征的薄膜微观形貌、化学键合的表征结果及相关参考文献[12,41-42]，分析该光学性能的变化。
当沉积时间较短时（S1和S2），DLC薄膜表现出较好的增透性能。首先，从图1（a），（b）所示，S1和S2样品的薄膜致密，膜基界面清晰且无孔隙缺陷，这样的微观形貌可以有效地抑制了光在界面处的散射损失。其次，从XPS与拉曼分析，该阶段薄膜维持了较高的sp3键含量，其在红外波段的本征吸收损耗较低[12,41]。
值得注意的是，尽管S2样品的sp3含量较S1样品略有下降，但是其透过率反而更高。这表明，该区间内透过率变化并非仅由吸收主导，还受到薄膜厚度引起的干涉效应影响。随着沉积时间由1 h增加至2 h，薄膜厚度的增长使其光学厚度更接近于3–5 μm波段的理想增透厚度[42]。
其中
$ n $ 为薄膜折射率，$ d $ 为薄膜厚度，$ \lambda $ 为波长。这种由厚度带来的干涉增透增益远大于微量石墨化导致的吸收损耗，从而使S2样品获得较高的红外透过率。随着沉积时间进一步延长（S3和S4），透过性能明显下降。如图1（c），（d）所示，由于厚度增加，导致内应力累积超过界面的承载极限，膜基界面开始出现明显的孔隙缺陷，且宏观表面出现屈曲起皱。这些缺陷破坏了介质的均匀性，引发了强烈的光散射，导致透过率大幅下降。同时，XPS与拉曼结果一致表明，此阶段薄膜发生了显著的石墨化转变，即sp2键含量升高，其在红外波段的吸收也增强[12,41]。
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盐雾试验主要用于加速模拟含盐潮湿环境对光学膜层的腐蚀作用。本实验参照国军标GJB2485A-2019《光学膜层通用规范》中的3.6环境适应性3.6.7盐雾要求。将不同沉积时间下制备的DLC薄膜，同时放入同一盐雾试验箱。其中盐雾试验所用盐溶液为5%的氯化钠溶液，其PH值为6.5−7，样品放置角度为45°，试验室温度设置为35℃，持续24 h（相当于自然环境下一年）。
图8为不同沉积时间下DLC薄膜在24 h盐雾腐蚀前后对比的表面形貌光学图片。如图所示，可以看到在经过24 h盐雾试验下，不同沉积时间制备的DLC薄膜具有不同的效果。对于S1样品，薄膜表面保持完整，未观察到起皮、脱膜及腐蚀痕迹，该样品试验前后的表征图片存在颜色差异，为拍照时光照与拍摄距离等条件不同所致。而S2样品，薄膜表面出现大面积的起皮现象，S3和S4样品，薄膜则发生大面积的脱膜现象。根据国军标GJB2485A-2019要求，盐雾实验后，膜层不应有起皮、脱膜、裂纹、起泡等缺陷。其中只有S1样品满足要求。
结合SEM、XPS及拉曼光谱表征的微观结构结果，对上述耐蚀性能差异进行分析，明确宏观耐蚀表现与微观结构演变的内在关联。
对于S1样品，盐雾试验后表现出较好的耐盐雾腐蚀性能。其优异的耐盐雾腐蚀性能可能源于微观形貌和键合状态的协同作用。首先，从图1（a）可以看出膜层致密无孔隙，这种连续致密的微观结构可形成有效的物理屏障，阻碍氯化物离子向膜基界面渗透[29,43]。此外，XPS与拉曼分析均表明其sp3键含量较高，而较高的sp3键比例不仅有利于形成结构致密、缺陷密度较低的网络结构，还可提高薄膜内部原子间结合强度与整体结构稳定性，从而增强其在腐蚀环境中的抗破坏能力[29]。此外，该阶段薄膜厚度较薄，内部残余应力处于膜基界面弹性协调范围之内，膜基结合力良好，可有效抵抗腐蚀过程中产生的界面应力，避免膜层与基底剥离。
对于S2样品的起皮现象，其可能是因为键合状态先于微观形貌的劣化。从图1（b）可以看出该样品仍保持较高致密性，无明显孔隙通道，但XPS与拉曼表明其sp3键含量较S1下降，sp2团簇开始生长并聚集。其sp2团簇的形成会弱化膜层内部及膜基界面的结合强度，使界面区域成为结构薄弱点。盐雾环境中，腐蚀介质可沿这些微观弱化区域缓慢渗入，诱发界面应力腐蚀[43-44]，最终导致膜层与基底发生局部分离，表现为宏观上的大面积起皮。
对于S3与S4样品的大面积脱膜现象，可能是因为微观形貌缺陷与键合状态共同劣化的结果。从图1（c），（d）可以看出，这两个样品的膜层内部及膜基界面已出现明显孔隙缺陷，且S4样品还伴随宏观表面起皱现象。孔隙缺陷的形成不仅为腐蚀介质提供了快速渗透通道，显著缩短其到达膜基界面的路径，同时也加剧了界面区域的应力集中效应[43]。
同时，XPS与拉曼结果表明，其sp2键含量持续升高，薄膜石墨化趋势加剧，sp3键主导的致密结构进一步被破坏，薄膜的结构稳定性与耐蚀能力大幅下降[29]。此外，沉积时间延长导致薄膜厚度增加，内部残余应力累积并超过膜基结合能承受范围，通过孔隙形成、膜层起皱等方式释放应力，这一过程也进一步加剧了膜层结构的松散化。
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本研究采用射频磁控溅射在单晶硅基底上，分别在不同沉积时间（1、2、3、4 h）下制备DLC薄膜，研究沉积时间引起的微观结构变化对红外透过和耐盐雾腐蚀性能的影响规律。结合SEM、拉曼、XPS表征手段与3−5 μm红外光学透过率测量、盐雾腐蚀试验。研究表明，沉积时间通过影响薄膜厚度、碳键杂化态以及膜/基界面完整性进而决定其红外增透与耐盐雾腐蚀性能。
结果表明，随着沉积时间延长，薄膜厚度持续增加，拉曼与XPS结果一致表明薄膜石墨化趋势增强，sp2/sp3比值由1.31升至1.62，薄膜结构由高sp3含量逐步向高sp2含量转变。同时SEM显示1 h和2 h样品膜层致密、界面清晰无孔隙。而当沉积时间增至3 h和4 h时，膜/基界面孔隙缺陷出现并加剧，特别是4 h样品发生了宏观起皱，表明厚度增长导致残余应力累积并引发界面失稳与结构劣化。3–5 μm波段平均透过提升率由S1（26.36%）升至S2（29.86%），因厚度使光学厚度更接近四分之一波长条件，干涉增透。随后在S3、S4降低（S4为7.86%），因界面孔隙缺陷导致散射增强，同时石墨化加剧导致吸收增加，共同造成透过率减低。24 h盐雾试验表明仅S1样品无起皮、脱膜现象。其中S2样品出现起皮，而S3与S4则发生脱膜现象。其主要是因为S1样品致密无孔隙且sp3含量高，能够有效阻隔氯化物离子向膜基界面渗透并保持结构稳定。而S2样品虽仍较致密，但sp3含量下降、sp2团簇增长使结合较弱，腐蚀介质沿薄弱区域渗入诱发界面应力腐蚀而起皮。S3与S4样品则因为界面孔隙缺陷通道与石墨化趋势加剧，腐蚀渗透与应力集中显著加剧，导致失效脱膜。
综上，沉积时间通过调控DLC薄膜的键合结构（sp2/sp3）从而影响吸收/散射损耗、同时与厚度引起的干涉条件与残余应力累积导致的膜/基界面缺陷与失稳共同作用决定其3–5 μm波段增透效果与盐雾环境可靠性。研究表明，较短的沉积时间可获得较好的界面完整性与耐盐雾腐蚀性，而适中的厚度可在保持结构稳定的前提下带来干涉增透收益。未来研究将聚焦于通过添加过渡层或元素掺杂等手段制备兼具高厚度、高sp3键含量、优良红外增透效果与高可靠环境耐久性的DLC薄膜。
沉积时间对射频磁控溅射制备DLC膜结构与性能的影响
Effect of Deposition Time on Structure and Properties of DLC Films Prepared by RF Magnetron Sputtering
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摘要: 针对车载热成像系统红外窗口在红外增透与耐腐蚀性能的应用兼容需求，文章采用射频磁控溅射在硅基上制备不同沉积时间（1、2、3、4 h）的DLC薄膜。通过SEM、拉曼和XPS对薄膜的形貌、化学键合表征，结合3–5 μm波段透过率测试与24 h中性盐雾试验，研究沉积时间对DLC薄膜红外透过性能与耐盐雾腐蚀性能的影响规律。结果表明，随沉积时间增加，薄膜厚度逐渐增加，sp2/sp3比值由1.31升至1.62，表明石墨化趋势增强，同时膜基界面缺陷由无到有并逐步加剧。而3–5 μm波段平均透过提升率呈先升后降趋势，由1 h的26.36%提高至2 h的29.86%，由厚度匹配带来的干涉增透效应。随后下降至4 h的7.86%，透过性能衰减主要源于界面缺陷诱发的散射增强与石墨化加剧导致的吸收上升的协同作用。24 h盐雾试验表明，仅1 h样品无起皮/脱膜现象，其余样品的起皮/脱膜现象则是因为sp3含量下降导致结构稳定性降低以及界面缺陷协同作用。研究为车载红外窗口DLC镀层工艺优化提供了实验数据支撑。Abstract: To address the compatible application requirements for infrared anti-reflection and corrosion resistance of infrared windows in vehicle-mounted thermal imaging systems. DLC films with different deposition times (1, 2, 3, and 4 h) are deposited on silicon substrates via radio frequency (RF) magnetron sputtering. The morphological features and chemical bonding states of the films are characterized by SEM, Raman and XPS. Combined with transmittance measurements in the 3–5 μm waveband and 24 h neutral salt spray tests, the influence of deposition times on the infrared transmittance performance and salt spray corrosion resistance of DLC films is investigated. The results show that the film thickness increases gradually with the increase in deposition times. The sp2/sp3 ratio increases from 1.31 to 1.62, indicating a strengthened graphitization tendency. Meanwhile, film-substrate interface defects emerge and aggravate progressively from absence to presence. The average transmittance enhancement rate in the 3–5 μm waveband shows a trend of first increasing and then decreasing. It rises from 26.36% at 1 h to 29.86% at 2 h, which is due to the interference anti-reflection effect induced by thickness matching, and then decreases to 7.86% at 4 h. The deterioration of transmittance performance is mainly caused by the synergistic effect of enhanced scattering induced by film-substrate interface defects and increased absorption resulting from aggravated graphitization. The 24 h neutral salt spray tests demonstrate that only the sample with 1 h deposition time exhibits no peeling or delamination. The occurrence of such phenomena in the other samples is attributed to the synergistic effect of reduced structural stability caused by the decrease in sp3 content and the presence of film-substrate interface defects. This study provides experimental data support for the process optimization of DLC films on infrared windows of vehicle-mounted thermal imaging systems.
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图 1 不同沉积时间制备的DLC薄膜的SEM表面和截面图。（a）1 h，（b）2 h，（c）3 h，（d）4 h
Figure 1. SEM surface and cross-sectional images of DLC films prepared with different deposition times. (a)1 h, (b)2 h, (c)3 h, (d)4 h
图 2 薄膜厚度和沉积速率与沉积时间的关系
Figure 2. Relationship between film thickness, deposition rate and deposition time
图 3 拉曼光谱分析。（a）二峰拟合，（b）三峰拟合，（c）残差分布
Figure 3. Raman spectral analysis. (a) Two-peak fitting, (b) three-peak fitting, (c) residual distribution
图 4 不同沉积时间下DLC薄膜的ID/IG比值
Figure 4. ID/IG ratio of DLC films at different deposition times
图 6 不同沉积时间下DLC薄膜的XPS结果
Figure 6. XPS results of DLC films at different deposition times
图 7 不同沉积时间下DLC薄膜对应的3−5 μm的平均红外透过提升率
Figure 7. Average infrared transmittance improvement of 3−5 μm for DLC films under different deposition times
图 8 不同沉积时间下DLC膜在24 h盐雾实验前后的表面光学形貌对比
Figure 8. Comparison of the surface optical morphology of DLC films before and after a 24 h salt spray test at different deposition times
表 1 工艺参数详情
Table 1. Process parameter details
序号 温度/℃ 射频功率/W 沉积时间/min S1 RT 200 60 S2 RT 200 120 S3 RT 200 180 S4 RT 200 240 
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图( 8) 表( 1)
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