一种DLC涂层键含量计算方法及系统

本技术涉及材料表面分析，特别涉及一种dlc涂层键含量计算方法及系统。

背景技术：

1、dlc涂层由于集成了高硬度、低弹性模量、极低的干摩擦系数、优异的耐磨损特性以及良好的生物相容性，被广泛应用在精密机械组件、航空航天轴承、微型切削刀具以及电子元器件的表面强化保护层中。dlc涂层微观上是一种亚稳态的非晶碳网格结构，其宏观的力学性能与摩擦学行为从根本上取决于涂层内部杂化碳键合与杂化碳键合的本征相对比例。通常，较高的键合含量赋予涂层接近天然金刚石的高硬度和高热导率，而骨架的存在则改善了涂层的内应力，提供了良好的固体润滑效果。因此，实现对dlc涂层中杂化键合含量的精确、标准化、定量化分析，对于科学评估涂层综合质量、指导新型碳基薄膜工艺的研发至关重要。

2、目前，xps的高分辨c1s核心能级谱图分峰拟合是实验室和工业界最通用的非破坏性定量化表征手段。c1s能谱中包含了-c（中心位置约在284.4 ev）、-c（中心位置约在285.2 ev）以及因样品暴露于空气中表面自发吸氧氧化而引入的c-o（键位约286.5 ev）和c=o/o-c=o（键位约288.5 ev）等复杂重叠信息。在现有的常规分峰拟合实践中，操作人员通常手动划定背底并人为创建若干个相互孤立的拟合亚峰，数学解空间缺乏物理约束，计算出的含量可能产生20%~30%的系统性偏差，对人工经验依赖度高，结果客观性不足。

技术实现思路

1、本技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，第一方面，本技术提出一种dlc涂层键含量计算方法，能够减少人为干扰，提高计算结果的客观性和准确度。

2、第二方面，本技术提出一种用于实施上述方法的dlc涂层键含量计算系统。

3、根据本技术第一方面实施例的dlc涂层键含量计算方法，包括：

4、获取dlc涂层的xps谱图数据，并提取c1s核心能级在设定区间的有效结合能与对应的光电子的响应强度序列；

5、设定荷电校准偏移量，对所述有效结合能进行整体平移标定，获得校准后的光谱数据集（，），其中为结合能序列，为响应强度序列；

6、基于所述光谱数据集（，）计算能谱背景响应曲线并进行扣除，获得扣除背景后的净响应强度序列；

7、基于所述净响应强度序列构建包含碳峰、碳峰、c-o杂质峰以及c=o/o-c=o杂质峰的四峰叠加数学模型，各峰均采用高斯-洛伦兹函数进行表达，在所述四峰叠加数学模型中引入关于亚峰中心结合能位置、半高宽及线型因子的关联约束，将多维自由解空间压缩为包含多个待求解独立参数的非线性复合函数；

8、设定所述多个待求解独立参数的初始猜测向量、搜索下界向量以及搜索上界向量，利用非线性最小二乘优化算法在有约束边界的解空间内进行全局迭代求解，计算出最优参数向量集；

9、根据所述最优参数向量集，利用高斯-洛伦兹混合线型单峰面积解析公式，分别计算出碳峰的有效积分面积和碳峰的有效积分面积，代入纯碳骨架相对含量计算公式，获得所述dlc涂层中与杂化键的定量化相对百分含量。

10、根据本技术实施例的dlc涂层键含量计算方法，至少具有如下有益效果：

11、本实施例的dlc涂层键含量计算方法，进行了物理关联，极大地压缩了参数搜索维度，从而确保了不论初始初值如何设置，算法对同一组谱图都能产生完全一致、具有极高重现性的唯一拟合参数集，能够真实反映涂层本征的结构杂化相，避免了将杂质碳归入相造成的系统性偏高误差的情况。因此本实施例的dlc涂层键含量计算方法能够减少人为干扰，提高计算结果的客观性和准确度。

12、根据本技术的一些实施例，所述基于所述光谱数据集（，）计算能谱背景响应曲线，包括：

13、采用shirley背景算法进行计算，其迭代计算公式包括：

14、，

15、其中，、分别为有效数据区间起点和终点处的响应强度序列，为第次迭代的背景响应曲线；

16、迭代终止条件包括相邻两次迭代得到的背景向量之间的欧几里得范数差值小于设定的收敛容差，或者达到设定的最大迭代次数。

17、根据本技术的一些实施例，扣除背景后的净响应强度表示为，若出现的非物理数据点，则将其修正为设定值。

18、根据本技术的一些实施例，所述高斯-洛伦兹函数表达为，并具体表达为：

19、，

20、，

21、，

22、其中，为该峰的峰高响应振幅，为该峰的中心结合能位置，为该峰的半高宽，为该峰的洛伦兹贡献权重百分比。

23、根据本技术的一些实施例，所述在所述四峰叠加数学模型中引入关于亚峰中心结合能位置、半高宽及线型因子的关联约束，包括以下约束中的一个或多个：

24、碳峰、碳峰的中心结合能位置约束，表达为；

25、碳峰的半高宽约束于碳峰的半高宽，且呈非线性展宽，展宽约束公式表达为，为显式定义的半高宽本征展宽增量；

26、c-o杂质峰的中心结合能关联约束于碳峰的中心结合能，约束公式表达为，为c-o键相对于碳骨架的化学位移增量；

27、c=o/o-c=o杂质峰的中心结合能关联约束于碳峰的中心结合能，约束公式表达为，为复合羰基/羧基键相对于碳骨架的化学位移增量；

28、碳峰、碳峰、c-o杂质峰以及c=o/o-c=o杂质峰采用相同的洛伦兹贡献权重参数。

29、根据本技术的一些实施例，所述将多维自由解空间压缩为包含多个待求解独立参数的非线性复合函数，包括压缩为包含12个待求解独立参数的非线性复合函数，并且所述非线性复合函数的独立参数向量表示为：

30、；

31、所述非线性复合函数表达为：

32、

33、根据本技术的一些实施例，所述设定所述多个待求解独立参数的初始猜测向量、搜索下界向量以及搜索上界向量，包括：

34、提取所述净响应强度序列中的最大响应强度以及所述最大响应强度对应的结合能位置；

35、初始猜测向量设定为：

36、；

37、搜索下界向量设定为：

38、；

39、搜索上界向量设定为：

40、。

41、根据本技术的一些实施例，所述高斯-洛伦兹混合线型单峰面积解析公式表达为：

42、，

43、其中，、分别为第个子峰优化后对应的峰高和半高宽参数。

44、根据本技术的一些实施例，所述纯碳骨架相对含量计算公式表达为：

45、和。

46、根据本技术第二方面实施例的dlc涂层键含量计算系统，所述系统实现上述任意一项所述的dlc涂层键含量计算方法，所述系统包括：

47、数据获取模块，用于获取dlc涂层的xps谱图数据；

48、数据处理模块，用于采集c1s核心能级在280ev至292ev范围内的有效结合能与对应的光电子的响应强度序列，进行校准、背景扣除、高斯-洛伦兹函数拟合，并计算出碳峰的有效积分面积和碳峰的有效积分面积；

49、分析结果输出模块，用于输出dlc涂层中与杂化键的定量化相对百分含量。

50、根据本技术实施例的dlc涂层键含量计算系统，至少具有如下有益效果：

51、本实施例的dlc涂层键含量计算系统，极大地压缩了参数搜索维度，从而确保了不论初始初值如何设置，算法对同一组谱图都能产生完全一致、具有极高重现性的唯一拟合参数集，能够真实反映涂层本征的结构杂化相，避免了将杂质碳归入相造成的系统性偏高误差的情况。相比于传统方案，能够减少人为干扰，提高计算结果的客观性和准确度。

52、本技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分附加方面和优点将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。