CN101736302B - 一种同质多层纳米金属薄膜材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同质多层纳米金属薄膜材料的制备方法。该材料的特征是：薄膜完全由同种单一元素构成，并呈现粗晶层和细晶层交替更迭的多层结构。该方法采用磁控溅射技术，将连续沉积和间歇沉积两种工艺结合起来交替使用，并通过溅射过程转速、偏压等实验参数的调整，实现粗细晶粒层的交替更迭，从而使同质薄膜的呈现“多层”的结构特征。该工艺制备的薄膜结构致密，粗细晶粒界面层明晰，可以很容易通过控制不同层薄膜厚度控制粗细晶粒的比例，从而为制备力学性能可控的单相纳米晶材料提供可能。同时，该方法操作简单，成本较低，易于在工业上实现和推广。
Description
技术领域
本发明涉及纳米晶薄膜材料的制备方法，特别提供了一种同质多层纳米金属薄膜材料的制备方法。
背景技术
晶粒尺寸在100nm以内的单相或多相金属材料称为纳米金属材料。因其具有一系列与粗晶材料迥异的力学性能，一直以来得到了广泛的关注和研究。纳米金属一般具有非常高的强度和硬度，且疲劳强度、抗摩擦性也优于同等成分的粗晶金属。
纳米材料可以作为一种新的结构材料使用，还必须要求其具有一定的塑性，以保证使用的安全性。但是直到2003年，已有的文献表明，几乎所有的纳米金属材料，甚至那些在粗晶情况下具有很好塑性的纳米材料，都具有很低的塑性。
通常认为限制纳米材料塑性的三个主要原因是：加工制备缺陷(微孔隙等)；拉伸过程的不稳定性；裂纹的形成及剪切的不稳定。正因为很难获得高强韧的纳米金属材料，近年来对提高纳米材料韧性的研究越来越多。
合理的晶粒分布是获得高强韧纳米材料的一个有效途径。原因可能是小尺寸晶粒的强化作用使得材料可以保持高强度，而大晶粒中通过位错的塞积，可以使形变强化能力提高，从而有利于材料的均匀塑变。通过协调它们作用的大小，可以期望获得一个最佳的性能配合。目前的实验和研究中，获得不同尺寸晶粒分布的方法通常有：控制球磨时间；再结晶和二次再结晶；以及应力诱发晶粒长大等。但以上这些方法都存在一定的局限性：球磨费时较长，成本较高，而且容易引入杂质元素；再结晶和应力诱发方式具有很大的随机性，不能有效的控制晶粒尺寸的分布比例。
发明内容
本发明的目的在于提供着一种同质多层纳米金属薄膜材料的制备方法。薄膜完全由同种单一元素构成，并呈现粗晶层和细晶层交替更迭的多层结构。该工艺制备的薄膜结构致密，粗细晶粒界面层明晰，可以很容易通过控制不同层薄膜厚度控制粗细晶粒的比例，从而为制备力学性能可控的单相纳米晶材料提供可能。同时，该方法操作简单，成本低，易于在工业上实现和推广。
本发明所采用的方法，主要原理是：在磁控溅射镀膜过程中，如果采用连续沉积工艺，由于镀膜过程中温度的升高，晶粒很容易长大；而采用间歇沉积工艺，由于薄膜生长始终处于较低温度，晶粒则相对细小。将连续沉积和间歇沉积这两种工艺结合起来交替使用，并通过溅射过程转速、偏压等实验参数的调整，则可以实现粗细晶粒层的交替更迭，从而使同质薄膜的呈现“多层”的结构特征。
该方法具体包括下列步骤：
将单面抛光单晶硅基片分别用丙酮和酒精超声清洗15～30分钟，经电吹风吹干后，放入超高真空磁控溅射设备基片台上，将需要溅射的金属靶材安置在靶材座上，打开直流脉冲电源，在单面抛光单晶硅基片上进行交替粗晶层与细晶层溅射沉积；
细晶层的制备采用间歇沉积方式，每沉积1～2min，暂停溅射3～5min，同时对基片台进行旋转，并施加80～100V的负偏压，得到晶粒细晶层；
粗晶层的制备采用连续沉积镀膜方式，连续沉积时间为5～30min，得到粗晶层，然后暂停溅射10～30min，待薄膜完全冷却，再进行下一细晶层的制备，
重复交替进行细晶层与粗晶层的制备，得到同质多层纳米金属薄膜材料。
金属靶材采用铜、银、金、铁、铝、镍、钛、钨、钼、钽及不锈钢常见金属材料。
薄膜中粗晶和细晶数量的比例，通过镀膜过程中粗细晶粒层的厚度比例进行调节。
本发明提供的一种同质多层纳米金属薄膜材料的制备方法，交替使用了磁控溅射连续沉积和间歇沉积这两种工艺。该方法制备的薄膜材料，完全由同种单一元素构成，并呈现粗晶层和细晶层交替更迭的多层结构；薄膜结构致密，粗细晶粒界面层明晰，可以很容易通过控制不同层薄膜厚度控制粗细晶粒的比例，从而为制备力学性能可控的单相纳米晶材料提供可能；同时，该方法操作简单，成本低，易于在工业上实现和推广。
附图说明
图1为连续沉积金属Cu薄膜断面扫描电镜微观结构示意图。
图2为连续沉积金属Cu薄膜表面扫描电镜微观结构示意图。
图3为同质多层纳米晶Cu薄膜(三层)断面扫描电镜微观结构示意图。
图4为同质多层纳米晶Cu薄膜(三层)表面透射电镜微观结构示意图。
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
本发明提供了一种利用磁控溅射技术，同时结合连续沉积和间歇镀膜技术，制备同质多层纳米金属薄膜材料的方法。本实施例采用最常见的金属铜作为溅射靶材，制备同质多层纳米Cu薄膜材料。为了说明本方法与常规磁控溅射工艺的差异，给出对比案例，以说明此种同质多层金属薄膜材料及其制备工艺特点。
同质多层纳米晶Cu薄膜(三层)的具体工艺过程：
1)用金刚石刀片将单面抛光的单晶硅片切割成所需尺寸，然后用丙酮和无水酒精分别超声清洗20分钟，经电吹风吹干后，放入超高真空磁控溅射设备基片台上。
2)将金属Cu靶材安置在靶材座上，关闭溅射舱门，抽真空。
3)当本底真空度达到3×10-7mba时，打开氩气瓶阀门，调节氩气流量为3.0ccm，打开脉冲直流电源，调节功率为100W，准备溅射。
4)细晶层的沉积工艺参数：直流脉冲电源功率：100W；基片偏压：-80V；附加基片台旋转；沉积温度：室温。在此参数下，每沉积1min，关闭电源暂停镀膜3min，沉积和暂停分别达20次，接下来准备沉积粗晶层。
5)粗晶层的沉积工艺参数：直流脉冲电源功率：100W；关闭基片偏压；关闭基片台旋转；沉积温度：室温。在此参数下，连续沉积20min，关闭电源暂停镀膜20min，待沉积薄膜完全冷却后，再次进行细晶层的沉积，沉积工艺参数及时间如步骤4)。
为了对比此种工艺与常规磁控溅射镀膜工艺的差别，这里给出了对比例。对比例采用的溅射沉积参数如下：本底真空度：3.0×10-7mba；直流脉冲电源功率：100W；氩气流量：3.0ccm；沉积温度：室温。在此参数下，连续沉积镀膜60min。
需要说明的是，本发明所采用的制备方法，可以适用于铜、银、金、铁、铝、镍、钛、钨、钼、钽以及不锈钢等金属材料，不限于该实施例。
附图1为连续沉积(即常用磁控溅射工艺)金属Cu薄膜断面扫描电镜微观结构示意图。薄膜在基材上结合较好，厚度约为800nm，内部晶粒呈柱状晶形态，从基底一直生长到薄膜表面。从柱状晶的宽度来看，表面平均晶粒尺寸约为100nm。
附图2显示了连续沉积金属Cu薄膜表面扫描电镜结构图。可见，晶粒呈现出一定的团簇结构，团簇间以及有些晶粒之间，有明显的裂纹存在，说明晶粒之间结合不够致密，势必对力学性能造成劣化的影响。
附图3为本发明所采用的特殊磁控溅射工艺所制备的同质多层纳米晶Cu薄膜断面扫描电镜微观结构示意图。薄膜在基材上结合较好，厚度约为750nm。一个最明显的特征，薄膜沿膜厚度方向分为三层，从基底向上分别为细晶区(I)、粗晶区(II)、和细晶区(III)。其中，除了粗晶区(II)有柱状晶特征，其余两区没有明显的晶粒形貌特征，说明晶粒及其细小。不同晶区间界面明晰，而且结合致密。
附图4为同质多层纳米晶Cu薄膜表面透射电镜微观结构示意图。可见，晶粒大小分布均匀，大都在18～25nm之间，比连续沉积工艺晶粒的100nm有很大程度的细化。晶粒之间结合致密，没有可见的裂纹或者孔洞存在，晶粒内部有大量微孪晶。这些孪晶的存在，对材料强度和塑性的提高都起着重要的作用。
以上这些，说明本发明的方法可以制备出质量较高的同质多层纳米晶金属薄膜材料。同时，由于间隔时间和沉积速率相对稳定，通过相关计算机程序的编写与设定，便于实现工业化生产和推广。
Claims (2)
1.一种同质多层纳米金属薄膜材料的制备方法，其特征在于，此方法交替使用了磁控溅射连续沉积和间歇沉积这两种工艺，具体包括下列步骤：
将单面抛光单晶硅基片分别用丙酮和酒精超声清洗15～30分钟，经电吹风吹干后，放入超高真空磁控溅射设备基片台上，将需要溅射的金属靶材安置在靶材座上，打开直流脉冲电源，在单面抛光单晶硅基片上进行交替粗晶层与细晶层溅射沉积；
细晶层的制备采用间歇沉积方式，每沉积1～2min，暂停溅射3～5min，同时对基片台进行旋转，并施加80～100V的负偏压，得到晶粒细晶层；
粗晶层的制备采用连续沉积镀膜方式，连续沉积时间为5～30min，得到粗晶层，然后暂停溅射10～30min，待薄膜完全冷却，再进行下一细晶层的制备，
重复交替进行细晶层与粗晶层的制备，得到同质多层纳米金属薄膜材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，金属靶材采用铜、银、金、铁、铝、镍、钛、钨、钼或钽。
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