CN102041476A - 双靶磁控溅射法制备钛酸钴薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

双靶磁控溅射法制备钛酸钴薄膜的方法，分别将TiO₂和Co₂O₃造粒、预烧制备TiO₂靶材和Co₂O₃靶材，再将其分别放入磁控溅射仪的两个射频靶位中；将基片放入丙酮、乙醇混合溶液中再超声清洗备用；将处理后的基片放入磁控溅射仪的镀膜样品台上，对镀膜室和样品室内抽真空，设置基片加热温度为100℃-600℃，镀膜室通入Ar气对基片表面进行反溅清洗；反溅清洗完毕后，施加射频溅射功率启辉开始向基片镀膜；镀膜完成后，待镀膜室内温度降至室温时，关闭真空系统和总电源，即得产物钛酸钴薄膜。本发明分别采用钛和钴的氧化物制作两个靶材，在基片加热条件下射频磁控溅射一步合成出CoTiO₃薄膜。这种方法原料易得，反应效率高，且薄膜的附着力强，耐久性和稳定性高。

Description

双靶磁控溅射法制备钛酸钴薄膜的方法

技术领域

本发明属于钛酸钴薄膜的制备方法，特别涉及一种双靶材磁控溅射、无需热处理的制备钛酸钴薄膜的方法。

背景技术

钙钛矿型钛酸钴作为半导体材料，可广泛应用于电子元器件、电镀、敏感探针、催化剂等领域中。钛酸钴薄膜是一种性能优良的无机颜料，其具有强耐冲击及附着特性，纳米级粒度的涂料具有更好的匀称性，不易脱落，更耐摩擦的效果。用于陶瓷釉体时更可以针对陶瓷本体特性提高陶瓷的表面强度，降低烧结温度、达到很好的光泽效果，同时更迅速地使污物从表面脱除[彭子飞，于霞飞.纳米钴系列产品的应用及其展望[J].中国高新技术企业.2000，6：36-37]。

近年来，随着工业现代化及环保意识的增强，以TiO₂薄膜为代表的有机物降解光催化剂受到人们越来越多的关注，这种催化剂具有自洁去污、易清洗、抗菌等功能，在保护公共环境，创造舒适清洁无污染的生活空间方面具有广阔的应用前景。由于TiO₂禁带宽度较大，只能在紫外光照射下催化有机物降解，很大程度上限制了使用范围，因此，人们一直致力于开发新技术来提高催化降解效率。研究发现，CoTiO₃/TiO₂在黑暗中催化乙醛气体分解的作用大于纯TiO₂在紫外光照射下的分解效率，这与通常的光催化降解条件完全不同。其初步的降解机理认为：Co的存在及其离子价态的变化有利于自由基引发反应发生，促进了乙醛的分解[I.N.Martyanov，S.Uma，S.Rodrigues，and K.J.Klabunde*Decontamination of Gaseous Acetaldehyde over CoOx-Loaded SiO₂Xerogels under Ambient Dark Conditions[J].Langmuir 2005，21，2273-2280]。这种无需光照激发的催化剂将具有更为广阔的应用前景，其内在的机理值得进一步研究探索。

薄膜的制备方法主要有：气想沉积法、电泳沉积法、溶胶-凝胶法、水热法等。磁控溅射是目前研究较多，技术较成熟的薄膜制备技术之一，主要包括无化学变化的普通溅射法和通过靶材与反应气体(或靶材)作用的反应溅射法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原料易得，反应效率高，且薄膜的附着力强，耐久性和稳定性高的双靶磁控溅射法制备钛酸钴薄膜的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)分别将分析纯的TiO₂和分析纯的Co₂O₃与粘结剂混合造粒，然后50MPa-100MPa，在200℃-700℃下预烧，制备出TiO₂靶材和Co₂O₃靶材，再将其分别放入磁控溅射仪的两个射频靶位中；

2)将待镀膜的基片放入体积比为1∶(3-8)的丙酮、乙醇混合溶液中，在超声功率为50W下超声清洗，清洗好的基片用去离子水冲洗，氮气吹干备用；

3)将步骤2)处理后的基片放入磁控溅射仪的镀膜样品台上，通过真空系统对镀膜室和样品室内抽真空，当真空度达到1.0×10^-4Pa-9.9×10^-4Pa时，启动射频靶材预热装置预热10分钟；

4)设置基片加热温度为100℃-600℃，镀膜室通入Ar气，控制Ar气流量在10sccm-50sccm，压强为3Pa-5Pa，对基片表面进行反溅清洗10min-20min；

5)反溅清洗完毕后，施加射频溅射功率启辉，溅射功率为60W-200W，预溅射15min-30min后，移开靶材和基片的挡板，开始向基片镀膜，溅射时间在20min-200min；

6)镀膜完成后，关闭挡板、基片加热系统和靶材电源，待镀膜室内温度降至室温时，关闭真空系统和总电源，即得产物钛酸钴薄膜。

本发明分别采用钛和钴的氧化物制作两个靶材，在基片加热条件下射频磁控溅射一步合成出CoTiO₃薄膜。这种方法原料易得，反应效率高，且薄膜的附着力强，耐久性和稳定性高，是一种高效的薄膜制备工艺。此外，磁控溅射法可以实现产业化，具有较好的工业发展前景。

本发明的优点体现在：

1)该方法原料易得成本较低，制备工艺简单，无后续热处理，操作方便，生产周期短，效率高，适于工业生产；

2)采用分析纯TiO₂和Co₂O₃双靶材，在高温基片上射频溅射，等离子体态的金属氧化物反应，一步制备出钛酸钴薄膜；

3)制得的钛酸钴薄膜附着力强，耐久性和稳定性高。

具体实施方式

实施例1：

1)分别将分析纯的TiO₂和分析纯的Co₂O₃与粘结剂混合造粒，然后50MPa，在700℃下预烧，制备出TiO₂靶材和Co₂O₃靶材，再将其分别放入磁控溅射仪的两个射频靶位中；

2)将待镀膜的基片放入体积比为1∶3的丙酮、乙醇混合溶液中在超声功率为50W下超声清洗，清洗好的基片用去离子水冲洗，氮气吹干备用；

3)将步骤2)处理后的基片放入磁控溅射仪的镀膜样品台上，通过真空系统对镀膜室和样品室内抽真空，当真空度达到1.0×10^-4Pa时，启动射频靶材预热装置预热10分钟；

4)设置基片加热温度为600℃，镀膜室通入Ar气，控制Ar气流量在10sccm，压强为5Pa，对基片表面进行反溅清洗10min；

5)反溅清洗完毕后，施加射频溅射功率启辉，溅射功率为60W，预溅射15min后，移开靶材和基片的挡板，开始向基片镀膜，溅射时间在20min；

6)镀膜完成后，关闭挡板、基片加热系统和靶材电源，待镀膜室内温度降至室温时，关闭真空系统和总电源，即得产物钛酸钴薄膜。

实施例2：

1)分别将分析纯的TiO₂和分析纯的Co₂O₃与粘结剂混合造粒，然后100MPa，在200℃下预烧，制备出TiO₂靶材和Co₂O₃靶材，再将其分别放入磁控溅射仪的两个射频靶位中；

2)将待镀膜的基片放入体积比为1∶8的丙酮、乙醇混合溶液中在超声功率为50W下超声清洗，清洗好的基片用去离子水冲洗，氮气吹干备用；

3)将步骤2)处理后的基片放入磁控溅射仪的镀膜样品台上，通过真空系统对镀膜室和样品室内抽真空，当真空度达到9.9×10^-4Pa时，启动射频靶材预热装置预热10分钟；

4)设置基片加热温度为100℃，镀膜室通入Ar气，控制Ar气流量在50sccm，压强为3Pa，对基片表面进行反溅清洗20min；

5)反溅清洗完毕后，施加射频溅射功率启辉，溅射功率为200W，预溅射15min后，移开靶材和基片的挡板，开始向基片镀膜，溅射时间在20min；

6)镀膜完成后，关闭挡板、基片加热系统和靶材电源，待镀膜室内温度降至室温时，关闭真空系统和总电源，即得产物钛酸钴薄膜。

实施例3：

1)分别将分析纯的TiO₂和分析纯的Co₂O₃与粘结剂混合造粒，然后70MPa，在500℃下预烧，制备出TiO₂靶材和Co₂O₃靶材，再将其分别放入磁控溅射仪的两个射频靶位中；

2)将待镀膜的基片放入体积比为1∶4的丙酮、乙醇混合溶液中在超声功率为50W下超声清洗，清洗好的基片用去离子水冲洗，氮气吹干备用；

3)将步骤2)处理后的基片放入磁控溅射仪的镀膜样品台上，通过真空系统对镀膜室和样品室内抽真空，当真空度达到9.9×10^-4Pa时，启动射频靶材预热装置预热10分钟；

4)设置基片加热温度为300℃，镀膜室通入Ar气，控制Ar气流量在30sccm，压强为4Pa，对基片表面进行反溅清洗15min；

5)反溅清洗完毕后，施加射频溅射功率启辉，溅射功率为100W，预溅射20min后，移开靶材和基片的挡板，开始向基片镀膜，溅射时间在60min；

6)镀膜完成后，关闭挡板、基片加热系统和靶材电源，待镀膜室内温度降至室温时，关闭真空系统和总电源，即得产物钛酸钴薄膜。

实施例4：

1)分别将分析纯的TiO₂和分析纯的Co₂O₃与粘结剂混合造粒，然90MPa，在350℃下预烧，制备出TiO₂靶材和Co₂O₃靶材，再将其分别放入磁控溅射仪的两个射频靶位中；

2)将待镀膜的基片放入体积比为1∶6的丙酮、乙醇混合溶液中在超声功率为50W下超声清洗，清洗好的基片用去离子水冲洗，氮气吹干备用；

3)将步骤2)处理后的基片放入磁控溅射仪的镀膜样品台上，通过真空系统对镀膜室和样品室内抽真空，当真空度达到5.5×10^-4Pa时，启动射频靶材预热装置预热10分钟；

4)设置基片加热温度为500℃，镀膜室通入Ar气，控制Ar气流量在20sccm，压强为3Pa，对基片表面进行反溅清洗13min；

5)反溅清洗完毕后，施加射频溅射功率启辉，溅射功率为130W，预溅射30min后，移开靶材和基片的挡板，开始向基片镀膜，溅射时间在200min；

6)镀膜完成后，关闭挡板、基片加热系统和靶材电源，待镀膜室内温度降至室温时，关闭真空系统和总电源，即得产物钛酸钴薄膜。

实施例5：

1)分别将分析纯的TiO₂和分析纯的Co₂O₃与粘结剂混合造粒，然后60MPa，在600℃下预烧，制备出TiO₂靶材和Co₂O₃靶材，再将其分别放入磁控溅射仪的两个射频靶位中；

2)将待镀膜的基片放入体积比为1∶5的丙酮、乙醇混合溶液中在超声功率为50W下超声清洗，清洗好的基片用去离子水冲洗，氮气吹干备用；

3)将步骤2)处理后的基片放入磁控溅射仪的镀膜样品台上，通过真空系统对镀膜室和样品室内抽真空，当真空度达到7.0×10^-4Pa时，启动射频靶材预热装置预热10分钟；

4)设置基片加热温度为400℃，镀膜室通入Ar气，控制Ar气流量在40sccm，压强为5Pa，对基片表面进行反溅清洗18min；

5)反溅清洗完毕后，施加射频溅射功率启辉，溅射功率为170W，预溅射25min后，移开靶材和基片的挡板，开始向基片镀膜，溅射时间在100min；

6)镀膜完成后，关闭挡板、基片加热系统和靶材电源，待镀膜室内温度降至室温时，关闭真空系统和总电源，即得产物钛酸钴薄膜。

Claims (1)

1.双靶磁控溅射法制备钛酸钴薄膜的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)分别将分析纯的TiO₂和分析纯的Co₂O₃与粘结剂混合造粒，然后50MPa-100MPa，在200℃-700℃下预烧，制备出TiO₂靶材和Co₂O₃靶材，再将其分别放入磁控溅射仪的两个射频靶位中；

2)将待镀膜的基片放入体积比为1∶(3-8)的丙酮、乙醇混合溶液中，在超声功率为50W下超声清洗，清洗好的基片用去离子水冲洗，氮气吹干备用；

3)将步骤2)处理后的基片放入磁控溅射仪的镀膜样品台上，通过真空系统对镀膜室和样品室内抽真空，当真空度达到1.0×10^-4Pa-9.9×10^-4Pa时，启动射频靶材预热装置预热10分钟；

4)设置基片加热温度为100℃-600℃，镀膜室通入Ar气，控制Ar气流量在10sccm-50sccm，压强为3Pa-5Pa，对基片表面进行反溅清洗10min-20min；

5)反溅清洗完毕后，施加射频溅射功率启辉，溅射功率为60W-200W，预溅射15min-30min后，移开靶材和基片的挡板，开始向基片镀膜，溅射时间在20min-200min；

6)镀膜完成后，关闭挡板、基片加热系统和靶材电源，待镀膜室内温度降至室温时，关闭真空系统和总电源，即得产物钛酸钴薄膜。