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硼碳氮(B-C-N)三元化合物兼具立方氮化硼与金刚石的优良特性,作为一类超硬结构材料,在防护涂层、切削工具等工程领域具有广泛而重要的应用。特定键结构是B-C-N薄膜获得优异力学性能的前提,而现有研究却很少涉及沉积过程中B-C-N薄膜的键结构演变问题。为此,本文采用脉冲激光沉积技术制备B-C-N薄膜,重点研究其键结构和力学性能随沉积工艺(氮气压力、衬底温度、激光能量密度)的演变规律,以期通过建立键结构和力学性能之间的相互关系实现对B-C-N薄膜力学性能的优化。通过调整沉积工艺,分别在不同氮气压力(2.5~5.0 Pa)、衬底温度(RT~600?C)和激光能量密度(1.0~3.0 J/cm2)条件下制备出B-C-N薄膜。利用红外光谱和X射线光电子能谱对薄膜结构进行分析,结果表明薄膜中均含有B-N、B-C、C-N和C=N等不同结合键,说明形成了B-C-N三元化合物,得到的薄膜为原子级杂化。随着氮气压力的增大,B-C-N薄膜的沉积速率不断增大,粗糙度先减小后增大,同时N含量增加,B含量先增加后减小,而C含量先减小后增加。此外,薄膜键结构也发生相应演变:当氮气压力从2.5 Pa增大到3.5 Pa时,键结构由sp2杂化的B-N和C=N键向B-C键和sp3杂化的C-N键演变;由3.5 Pa继续增大到5.0 Pa时,薄膜的键结构又发生由B-C和sp3杂化的C-N键向sp2杂化的B-N和C=N键逆向演变。随着衬底温度的升高,B-C-N薄膜的沉积速率和表面粗糙度均不断减小,同时C和N含量逐渐降低而B含量增大,而且键结构也发生相应演变:当衬底温度从室温升高到400?C时,键结构从sp2杂化的B-N和C=N键向B-C键和sp3杂化的C-N键演变;从400?C继续升高到600?C时,又由B-C和sp3杂化的C-N键向sp2杂化的B-N和C=N键逆向演变。随着激光能量密度的增大,B-C-N薄膜的沉积速率不断增大,表面粗糙度先增大后减少,同时B和N的含量逐渐增加而C含量则不断降低,而且键结构逐渐由sp2杂化的B-N和C=N键向B-C键和sp3杂化的C-N键演变。在不同脉冲激光沉积条件下制备的B-C-N薄膜,其硬度和弹性模量的变化范围分别为7.5~33.7 GPa和128~256 GPa,这与沉积过程中薄膜键结构和键含量的演变规律相一致:高含量的B-C键和sp3杂化的C-N键有利于提高薄膜硬度和弹性模量,而高含量sp2杂化的B-N和C=N键则会劣化薄膜的力学性能。