采用化学气相沉积法制备具有优异力学性能的含氢四面体非晶碳膜有望满足工业应用的要求。通过自主设计的等离子体增强化学气相沉积实验系统制备含氢四面体非晶碳膜, 并对其微观结构与力学性能进行研究。随着偏压从-200 V增加到-500 V, 薄膜硬度和弹性模量先增加后减少, 最大达到34.0 GPa和282.0 GPa。压应力随着偏压的变化表现出相同的变化趋势。与传统等离子体增强化学气相沉积方法相比, 自主设计的等离子体增强化学气相沉积系统制备的碳膜硬度和弹性模量明显提升, 碳膜sp3含量(摩尔分数)超过62.3%, 制备出的碳膜具有典型的含氢四面体非晶碳膜特征, 而非含氢碳膜, 主要是由于水冷射频双螺旋电极与平板电极结合增强了粒子的轰击和离化率, 提高了薄膜sp3含量。这为在工业中应用制备高硬度和弹性模量的含氢四面体非晶碳膜提供了可能。

利用45°双弯曲磁过滤阴极真空电弧技术制备超薄四面体非晶碳膜，研究碳源入射角变化对超薄四面体非晶碳膜润湿性、表面能、粗糙度、表面形貌、摩擦系数和微观结构的影响以及它们之间的构效关系。结果表明：碳源入射角从0°增加到60°，薄膜与水的接触角由77.6°小幅增加到了82.4°，与甘油的接触角由64.7°小幅增加到71.2°，表现出亲水性。薄膜总的表面能由33.9 mJ/m2降低到28.0 mJ/m2，薄膜接触角的小幅增大归因于材料表面能的降低和表面粗糙度的增加。同时薄膜平均摩擦系数由0.140增加到0.217。碳的近边结构吸收谱表明，随着碳源入射角从0°增加到60°，薄膜sp3含量没有发生明显变化。

采用自主研制的双弯曲磁过滤阴极真空电弧(FCVA)技术，在不同衬底负偏压下制备了四面体非晶碳(ta-C)薄膜。通过分光光度计和椭偏(SE)联用技术精确测量了薄膜厚度，重点采用椭偏法对不同偏压下制备的ta-C薄膜sp3C键和sp2C键结构进行了拟合表征，并与X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱的实验结果相对比，分析了非晶碳结构的椭偏拟合新方法可靠性。结果表明，在-100 V偏压时薄膜厚度最小，为33.9 nm；随着偏压的增加，薄膜中的sp2C含量增加，sp3C含量减小，光学带隙下降。对比结果发现，椭偏法作为一种无损、简易、快速的表征方法，可用于ta-C薄膜中sp2C键和sp3C键含量的准确测定，且在采用玻璃碳代表纯sp2C的光学常数及拟合波长选取250～1700 nm时的椭偏拟合条件下，拟合数值最佳。