專利名稱：一種同質(zhì)多層納米金屬薄膜材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米晶薄膜材料的制備方法，特別提供了一種同質(zhì)多層納米金屬薄膜
材料的制備方法。
背景技術(shù)：
晶粒尺寸在100nm以內(nèi)的單相或多相金屬材料稱為納米金屬材料。因其具有一系
列與粗晶材料迥異的力學(xué)性能，一直以來(lái)得到了廣泛的關(guān)注和研究。納米金屬一般具有非
常高的強(qiáng)度和硬度，且疲勞強(qiáng)度、抗摩擦性也優(yōu)于同等成分的粗晶金屬。 納米材料可以作為一種新的結(jié)構(gòu)材料使用，還必須要求其具有一定的塑性，以保
證使用的安全性。但是直到2003年，已有的文獻(xiàn)表明，幾乎所有的納米金屬材料，甚至那些
在粗晶情況下具有很好塑性的納米材料，都具有很低的塑性。 通常認(rèn)為限制納米材料塑性的三個(gè)主要原因是加工制備缺陷(微孔隙等)；拉伸 過(guò)程的不穩(wěn)定性；裂紋的形成及剪切的不穩(wěn)定。正因?yàn)楹茈y獲得高強(qiáng)韌的納米金屬材料，近 年來(lái)對(duì)提高納米材料韌性的研究越來(lái)越多。 合理的晶粒分布是獲得高強(qiáng)韌納米材料的一個(gè)有效途徑。原因可能是小尺寸晶粒 的強(qiáng)化作用使得材料可以保持高強(qiáng)度，而大晶粒中通過(guò)位錯(cuò)的塞積，可以使形變強(qiáng)化能力 提高，從而有利于材料的均勻塑變。通過(guò)協(xié)調(diào)它們作用的大小，可以期望獲得一個(gè)最佳的性 能配合。目前的實(shí)驗(yàn)和研究中，獲得不同尺寸晶粒分布的方法通常有控制球磨時(shí)間；再結(jié) 晶和二次再結(jié)晶；以及應(yīng)力誘發(fā)晶粒長(zhǎng)大等。但以上這些方法都存在一定的局限性球磨 費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，成本較高，而且容易引入雜質(zhì)元素；再結(jié)晶和應(yīng)力誘發(fā)方式具有很大的隨機(jī)性， 不能有效的控制晶粒尺寸的分布比例。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供著一種同質(zhì)多層納米金屬薄膜材料的制備方法。薄膜完全 由同種單一元素構(gòu)成，并呈現(xiàn)粗晶層和細(xì)晶層交替更迭的多層結(jié)構(gòu)。該工藝制備的薄膜結(jié) 構(gòu)致密，粗細(xì)晶粒界面層明晰，可以很容易通過(guò)控制不同層薄膜厚度控制粗細(xì)晶粒的比例， 從而為制備力學(xué)性能可控的單相納米晶材料提供可能。同時(shí)，該方法操作簡(jiǎn)單，成本低，易 于在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)和推廣。 本發(fā)明所采用的方法，主要原理是在磁控濺射鍍膜過(guò)程中，如果采用連續(xù)沉積工 藝，由于鍍膜過(guò)程中溫度的升高，晶粒很容易長(zhǎng)大；而采用間歇沉積工藝，由于薄膜生長(zhǎng)始 終處于較低溫度，晶粒則相對(duì)細(xì)小。將連續(xù)沉積和間歇沉積這兩種工藝結(jié)合起來(lái)交替使用， 并通過(guò)濺射過(guò)程轉(zhuǎn)速、偏壓等實(shí)驗(yàn)參數(shù)的調(diào)整，則可以實(shí)現(xiàn)粗細(xì)晶粒層的交替更迭，從而使 同質(zhì)薄膜的呈現(xiàn)"多層"的結(jié)構(gòu)特征。
該方法具體包括下列步驟 將單面拋光單晶硅基片分別用丙酮和酒精超聲清洗15 30分鐘，經(jīng)電吹風(fēng)吹干 后，放入超高真空磁控濺射設(shè)備基片臺(tái)上，將需要濺射的金屬靶材安置在靶材座上，打開(kāi)直流脈沖電源，在單面拋光單晶硅基片上進(jìn)行交替粗晶層與細(xì)晶層濺射沉積； 細(xì)晶層的制備采用間歇沉積方式，每沉積1 2min，暫停濺射3 5min，同時(shí)對(duì)基
片臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并施加80 100V的負(fù)偏壓，得到晶粒細(xì)晶層；粗晶層的制備采用連續(xù)沉積鍍膜方式，連續(xù)沉積時(shí)間為5 30min，得到粗晶層，
然后暫停濺射10 30min，待薄膜完全冷卻，再進(jìn)行下一細(xì)晶層的制備， 重復(fù)交替進(jìn)行細(xì)晶層與粗晶層的制備，得到同質(zhì)多層納米金屬薄膜材料。 金屬耙材采用銅、銀、金、鐵、鋁、鎳、鈦、鴇、鉬、鉭及不銹鋼常見(jiàn)金屬材料。 薄膜中粗晶和細(xì)晶數(shù)量的比例，通過(guò)鍍膜過(guò)程中粗細(xì)晶粒層的厚度比例進(jìn)行調(diào)節(jié)。 本發(fā)明提供的一種同質(zhì)多層納米金屬薄膜材料的制備方法，交替使用了磁控濺射 連續(xù)沉積和間歇沉積這兩種工藝。該方法制備的薄膜材料，完全由同種單一元素構(gòu)成，并呈 現(xiàn)粗晶層和細(xì)晶層交替更迭的多層結(jié)構(gòu)；薄膜結(jié)構(gòu)致密，粗細(xì)晶粒界面層明晰，可以很容易 通過(guò)控制不同層薄膜厚度控制粗細(xì)晶粒的比例，從而為制備力學(xué)性能可控的單相納米晶材 料提供可能；同時(shí)，該方法操作簡(jiǎn)單，成本低，易于在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)和推廣。


圖1為連續(xù)沉積金屬Cu薄膜斷面掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為連續(xù)沉積金屬Cu薄膜表面掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為同質(zhì)多層納米晶Cu薄膜(三層)斷面掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為同質(zhì)多層納米晶Cu薄膜(三層)表面透射電鏡微觀結(jié)構(gòu)示意圖。 以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種利用磁控濺射技術(shù)，同時(shí)結(jié)合連續(xù)沉積和間歇鍍膜技術(shù)，制備
同質(zhì)多層納米金屬薄膜材料的方法。本實(shí)施例采用最常見(jiàn)的金屬銅作為濺射靶材，制備同
質(zhì)多層納米Cu薄膜材料。為了說(shuō)明本方法與常規(guī)磁控濺射工藝的差異，給出對(duì)比案例，以
說(shuō)明此種同質(zhì)多層金屬薄膜材料及其制備工藝特點(diǎn)。
同質(zhì)多層納米晶Cu薄膜(三層)的具體工藝過(guò)程 1)用金剛石刀片將單面拋光的單晶硅片切割成所需尺寸，然后用丙酮和無(wú)水酒精 分別超聲清洗20分鐘，經(jīng)電吹風(fēng)吹干后，放入超高真空磁控濺射設(shè)備基片臺(tái)上。
2)將金屬Cu靶材安置在靶材座上，關(guān)閉濺射艙門(mén)，抽真空。 3)當(dāng)本底真空度達(dá)到3X10—^ba時(shí)，打開(kāi)氬氣瓶閥門(mén)，調(diào)節(jié)氬氣流量為3.0ccm，打 開(kāi)脈沖直流電源，調(diào)節(jié)功率為IOOW，準(zhǔn)備濺射。
4)細(xì)晶層的沉積工藝參數(shù)直流脈沖電源功率100W ;基片偏壓-80V ;附加基片
臺(tái)旋轉(zhuǎn)；沉積溫度室溫。在此參數(shù)下，每沉積lmin，關(guān)閉電源暫停鍍膜3min，沉積和暫停分 別達(dá)20次，接下來(lái)準(zhǔn)備沉積粗晶層。 5)粗晶層的沉積工藝參數(shù)直流脈沖電源功率100W ;關(guān)閉基片偏壓；關(guān)閉基片臺(tái) 旋轉(zhuǎn)；沉積溫度室溫。在此參數(shù)下，連續(xù)沉積20min，關(guān)閉電源暫停鍍膜20min，待沉積薄膜 完全冷卻后，再次進(jìn)行細(xì)晶層的沉積，沉積工藝參數(shù)及時(shí)間如步驟4)。
為了對(duì)比此種工藝與常規(guī)磁控濺射鍍膜工藝的差別，這里給出了對(duì)比例。對(duì)比例 采用的濺射沉積參數(shù)如下本底真空度3. 0X10—7mba ;直流脈沖電源功率100W ;氬氣流
量3. 0ccm ;沉積溫度室溫。在此參數(shù)下，連續(xù)沉積鍍膜60min。 需要說(shuō)明的是，本發(fā)明所采用的制備方法，可以適用于銅、銀、金、鐵、鋁、鎳、鈦、 鎢、鉬、鉭以及不銹鋼等金屬材料，不限于該實(shí)施例。 附圖1為連續(xù)沉積(即常用磁控濺射工藝)金屬Cu薄膜斷面掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu) 示意圖。薄膜在基材上結(jié)合較好，厚度約為800nm，內(nèi)部晶粒呈柱狀晶形態(tài)，從基底一直生長(zhǎng) 到薄膜表面。從柱狀晶的寬度來(lái)看，表面平均晶粒尺寸約為100nm。 附圖2顯示了連續(xù)沉積金屬Cu薄膜表面掃描電鏡結(jié)構(gòu)圖?？梢?jiàn)，晶粒呈現(xiàn)出一定 的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，團(tuán)簇間以及有些晶粒之間，有明顯的裂紋存在，說(shuō)明晶粒之間結(jié)合不夠致密， 勢(shì)必對(duì)力學(xué)性能造成劣化的影響。 附圖3為本發(fā)明所采用的特殊磁控濺射工藝所制備的同質(zhì)多層納米晶Cu薄膜斷 面掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)示意圖。薄膜在基材上結(jié)合較好，厚度約為750nm。一個(gè)最明顯的特征，
薄膜沿膜厚度方向分為三層，從基底向上分別為細(xì)晶區(qū)a)、粗晶區(qū)(n)、和細(xì)晶區(qū)(III)。
其中，除了粗晶區(qū)(II)有柱狀晶特征，其余兩區(qū)沒(méi)有明顯的晶粒形貌特征，說(shuō)明晶粒及其 細(xì)小。不同晶區(qū)間界面明晰，而且結(jié)合致密。 附圖4為同質(zhì)多層納米晶Cu薄膜表面透射電鏡微觀結(jié)構(gòu)示意圖。可見(jiàn)，晶粒大小 分布均勻，大都在18 25nm之間，比連續(xù)沉積工藝晶粒的100nm有很大程度的細(xì)化。晶粒 之間結(jié)合致密，沒(méi)有可見(jiàn)的裂紋或者孔洞存在，晶粒內(nèi)部有大量微孿晶。這些孿晶的存在， 對(duì)材料強(qiáng)度和塑性的提高都起著重要的作用。 以上這些，說(shuō)明本發(fā)明的方法可以制備出質(zhì)量較高的同質(zhì)多層納米晶金屬薄膜材 料。同時(shí)，由于間隔時(shí)間和沉積速率相對(duì)穩(wěn)定，通過(guò)相關(guān)計(jì)算機(jī)程序的編寫(xiě)與設(shè)定，便于實(shí) 現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和推廣。
權(quán)利要求
一種同質(zhì)多層納米金屬薄膜材料的制備方法，其特征在于，此方法交替使用了磁控濺射連續(xù)沉積和間歇沉積這兩種工藝，具體包括下列步驟將單面拋光單晶硅基片分別用丙酮和酒精超聲清洗15～30分鐘，經(jīng)電吹風(fēng)吹干后，放入超高真空磁控濺射設(shè)備基片臺(tái)上，將需要濺射的金屬靶材安置在靶材座上，打開(kāi)直流脈沖電源，在單面拋光單晶硅基片上進(jìn)行交替粗晶層與細(xì)晶層濺射沉積；細(xì)晶層的制備采用間歇沉積方式，每沉積1～2min，暫停濺射3～5min，同時(shí)對(duì)基片臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并施加80～100V的負(fù)偏壓，得到晶粒細(xì)晶層；粗晶層的制備采用連續(xù)沉積鍍膜方式，連續(xù)沉積時(shí)間為5～30min，得到粗晶層，然后暫停濺射10～30min，待薄膜完全冷卻，再進(jìn)行下一細(xì)晶層的制備，重復(fù)交替進(jìn)行細(xì)晶層與粗晶層的制備，得到同質(zhì)多層納米金屬薄膜材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，金屬靶材采用銅、銀、金、鐵、鋁、鎳、鈦、 鎢、鉬、鉭及不銹鋼常見(jiàn)金屬材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種同質(zhì)多層納米金屬薄膜材料的制備方法。該材料的特征是薄膜完全由同種單一元素構(gòu)成，并呈現(xiàn)粗晶層和細(xì)晶層交替更迭的多層結(jié)構(gòu)。該方法采用磁控濺射技術(shù)，將連續(xù)沉積和間歇沉積兩種工藝結(jié)合起來(lái)交替使用，并通過(guò)濺射過(guò)程轉(zhuǎn)速、偏壓等實(shí)驗(yàn)參數(shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)粗細(xì)晶粒層的交替更迭，從而使同質(zhì)薄膜的呈現(xiàn)“多層”的結(jié)構(gòu)特征。該工藝制備的薄膜結(jié)構(gòu)致密，粗細(xì)晶粒界面層明晰，可以很容易通過(guò)控制不同層薄膜厚度控制粗細(xì)晶粒的比例，從而為制備力學(xué)性能可控的單相納米晶材料提供可能。同時(shí)，該方法操作簡(jiǎn)單，成本較低，易于在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)和推廣。
文檔編號(hào)C23C14/16GK101736302SQ20091021955
公開(kāi)日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者徐可為, 戴廣乾, 王飛, 黃平 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)