CN102220560A

CN102220560A - 一种LaNi5薄膜的制备方法及其应用

Info

Publication number: CN102220560A
Application number: CN2010101529508A
Authority: CN
Inventors: 陈侃松; 刘华容; 顾豪爽; 刘俊峰; 谢鲲
Original assignee: Hubei University
Current assignee: Hubei University
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2011-10-19

Abstract

本发明公开了一种LaNi₅薄膜的制备方法及其在氢敏传感器方面的应用。该方法是先在Si衬底上，制作一层Ni膜为缓冲层，然后通过磁控射频溅射方法在Ni膜上沉积LaNi₅薄膜。所述沉积LaNi₅的靶材是La靶与扇形Ni片组成的扇形靶，溅射条件是：功率120W-200W，温度350℃-500℃，靶基距3.5cm，气压0.6Pa，时间20min。所制备的LaNi₅薄膜是多晶薄膜，表面致密度低，比表面积大，晶粒均匀，适合用作气敏元件。此外，LaNi₅有很强的吸氢能力，有利于提高氢敏传感器的响应能力，因此该方法制备的LaNi₅薄膜在氢敏传感器方面有较好的应用前景。

Description

一种LaNi5薄膜的制备方法及其应用

技术领域：

本发明涉及一种工程材料技术领域的制备方法，具体是一种LaNi₅薄膜的制备方法及其在氢气传感器领域的应用。

背景技术：

在能源日益紧张、环保意识逐渐加强的现代社会，氢气由于具有高燃烧效率和产物无污染等特点引起了人们的广泛关注。氢气在生产、储存、运输和使用的过程中容易泄漏，其着火点很低，极易燃烧，所以对氢气的监测显得尤为重要。目前氢气传感器主要有半导体型、热电型和光纤型。半导体型氢气传感器一般以金属氧化物为敏感材料，其结构简单，易集成，易实现器件的小型化，但存在选择性不好，工作温度较高的问题。热电型氢气传感器虽然对氢气具有较高的选择性，且能耗低，易于集成，但输出信号弱，一般需要在外围采用放大电路，其灵敏度较低，工作温度较高。光纤氢气传感器一般以Pd及其合金为敏感材料，虽解决了工作温度的问题，但信号微弱，且Pd膜已脱层，出现气泡，使用周期有限。要提高氢敏传感器的工作性能，氢敏材料的敏感响应性、重现性起着决定性作用，目前对氢敏材料的研究工作主要存在的问题有：对氢气的选择性和灵敏度还不够高，氢敏材料及其相应传感器的产业化不理想。

LaNi₅合金在常温下具有良好的吸放氢特性，目前在储氢领域已得到广泛应用，其吸放氢的机制也得到了深入的研究，而将它作为氢敏材料在氢敏传感器领域的应用还未展开。目前对于LaNi₅合金的研究主要集中在粉体和块材两个方面，由于LaNi₅合金的气敏机理为表面电阻控制型，所以使用薄膜型敏感材料有益于提高传感器的灵敏度，且LaNi₅薄膜由于晶格受到衬底束缚，吸氢过程中晶格膨胀受限而克服了块状LaNi₅多次吸/放氢后发生粉化的问题。通过调研，目前文献中极少有关于LaNi₅薄膜的报道，主要原因是难得到准确化学计量比的LaNi₅薄膜，因此研究薄膜型LaNi₅合金的制备方法是非常必要的。LaNi₅薄膜的制备方法可以有多种，包括溶胶-凝胶法(sol-gel)、激光脉冲沉积(PLD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)，其中磁控溅射法制备LaNi₅薄膜与其它方法相比，克服了源物质不易得到、仪器价格昂贵、沉积速度慢、易引入杂质等不足之处，且与集成电路相兼容。

发明内容：

本发明的目的是：提供一种制备LaNi₅薄膜的方法，制得的薄膜致密度低，晶粒均匀，有利于吸/放氢，并可择优取向生长。该薄膜有利于在氢气传感器领域的应用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一、清洗Si片

二、采用磁控射频溅射法在Si衬底上沉积Ni膜，作为缓冲层。溅射条件如下：

1、纯度99.95％的Ni靶作为阴极靶；靶基距为4.55cm；

2、本底真空低于5.0*10^-4以下；

3、工作气体为惰性气体——Ar气，工作气压0.2Pa～0.6Pa；

4、沉积Ni之前需预溅射约10min～20min，使Ni靶表面清洁；沉积Ni时的功率为50W～80W，温度为室温；沉积时间为10min～20min，制得大约为450nm～900nm的Ni膜作为缓冲层。

三、制作镧镍扇形靶。

1、将纯度为99.5％的Ni片剪成

60cm的圆形

2、按照一定的角度将圆形Ni片对称的去掉四个相同的扇形，如附图1。

3、将制作的Ni片覆盖在纯度为99.9％、

60cm的La靶上作为阴极靶，

进一步包括：扇形角度的确定需通过多次实验，然后测X射线荧光光谱(XRF)，最终得到La∶Ni＝1∶5。

四、采用磁控射频溅射法在Ni膜上沉积LaNi₅薄膜，溅射条件如下：

1、镧镍扇形靶为阴极靶，靶基距为3.5cm～5.5cm；

2、本底真空低于5.0*10^-4以下；

3、工作气体为惰性气体——Ar气，工作气压0.2Pa～0.7Pa；

4、沉积LaNi₅之前需预溅射约10min～20min，使靶表面清洁；

5、在第一步制得的缓冲层上沉积LaNi₅，功率120W～200W，温度300℃～700℃，时间为15min～25min。制得的LaNi₅薄膜为致密性低的多晶薄膜，厚度约为850nm～1.1μm，晶粒均匀，晶粒尺寸约为50nm。

本发明具有如下优点：

1、镧镍扇形靶能精确地控制化学计量比。烧结LaNi₅合金靶工艺复杂，La极易被氧化，难得到高纯度的LaNi₅合金靶，且多次使用后易碎。本发明的镧镍扇形靶制作简单，能精确控制化学计量比，可多次重复使用。

2、以Ni为缓冲层。防止了La与衬底Si反应。

3、择优取向生长。通过调整溅射功率(在120W～200W内)，可得到不同择优取向生长的LaNi₅薄膜。

4、致密性较低，晶粒均匀。LaNi₅薄膜致密性低、晶粒均匀有利于吸/放氢。

5、克服粉化问题。制备的LaNi₅薄膜应用于氢气传感器克服了多次吸放氢后粉化的问题。

6、具有高的响应能力。制备的LaNi₅对比于其他的氢敏材料有更强的吸氢能力，提高了氢气传感器的灵敏度。

附图说明

图1为镧镍扇形靶的示意图。

图2为LaNi₅薄膜的表面形貌。从SEM图片可看到薄膜表面晶粒均匀，致密度低，有利于提高气敏性能。

图3为LaNi₅薄膜的断面结构。

图4为不同的溅射功率制备的LaNi₅薄膜的X射线衍射图(XRD)，从图可知，不同的溅射功率下制备的LaNi₅薄膜有不同的择优取向。

图5为经过表面处理后的LaNi₅薄膜的氢敏性能。

具体实施方式：

实施例一

采用磁控射频溅射法，具体操作如下：

一、清洗Si片

1、纯度99.95％的Ni靶作为阴极靶；靶基距为4.55cm；

2、本底真空低于5.0*10^-4以下；

3、工作气体为惰性气体——Ar气，工作气压0.5Pa；

4、沉积Ni之前需预溅射约15min，使Ni靶表面清洁；沉积Ni时的功率为80W，温度为室温；沉积时间为10min，制得大约为450nm的Ni膜作为缓冲层。

三、制作镧镍扇形靶。

1、将纯度为99.5％的Ni片剪成60cm的圆形。

2、按照一定的角度将圆形Ni片对称的去掉四个43°的扇形，如附图1所示。

3、将上面制作的Ni片覆盖在纯度为99.9％、

60cm的La靶上，作为镧镍扇形靶。

四、采用磁控射频溅射法在Ni膜上沉积LaNi₅薄膜，两组不同的溅射条件如下：

以镧镍扇形靶为阴极靶，本底真空低于5.0*10^-4以下。

	靶基距	气压(Ar)	功率	温度	时间
						条件一	3.3cm	0.6Pa	150W	350℃	20min
条件二	3.3cm	0.6Pa	200W	350℃	20min

条件一制备的LaNi₅薄膜的表面形貌和断面结构如附图2和图3所示，厚度为500nm，致密度低，晶粒均匀，比表面积大，有利于吸/放氢。对比条件一和条件二制备的LaNi₅薄膜的X射线衍射图(XRD)。如附图4所示，条件一制备的LaNi₅薄膜沿(111)取向择优生长，条件二制备的LaNi₅薄膜沿(101)取向择优生长。

实例二

采用磁控射频溅射法制备LaNi₅薄膜，第一、二、三步与实例一相同。第四步的溅射条件为：以镧镍扇形靶为阴极靶，本底真空低于5.0*10-4以下，

靶基距	气压(Ar)	功率	温度	时间
					4.9cm	0.2Pa	150W	700℃	20min

制备的LaNi₅薄膜厚度为500nm，致密度低，晶粒均匀，晶粒尺寸约为50nm，比表面积大，有利于吸/放氢。

将所制备的LaNi₅薄膜经表面处理后，在室温下，样品放置在空气气氛下，当不同流量的氢气(30ml/min、60ml/min、160ml/min)通过样品表面时记录下时间和样品的电阻，如附图5所示，表示了LaNi₅薄膜对不同流量的氢气的响应曲线，得到LaNi₅薄膜吸放氢时间较短，具有较高的恢复能力和灵敏度。

Claims

1.一种LaNi₅薄膜的制备方法，其特点在于，步骤是首先在Si衬底上制备一层Ni膜，作为缓冲层；然后在缓冲层Ni膜上用磁控射频溅射法制备LaNi₅薄膜。

2.按权利要求1所述的一种LaNi₅薄膜的制备方法，其特点在于所述的衬底是Si(100)，Ni(011)膜作为缓冲层，且Ni膜厚度为450nm。

3.按权利要求1所述的一种LaNi₅薄膜的制备方法，其特征在于沉积LaNi₅薄膜的靶是以纯度为99.9％的La靶与纯度为99.95％的扇形Ni片组成的扇形靶。

4.按权利要求1所述的一种LaNi₅薄膜的制备方法，其特征在于沉积功率120W-200W，沉积温度350℃-500℃，靶基距3.5cm，沉积气压0.6Pa，沉积时间为20min，制得的LaNi₅薄膜厚度大约为1μm。

5.按权利要求1所述的一种LaNi₅薄膜的制备方法，其特征在于通过调整沉积功率(在120W-200W内)可实现LaNi₅薄膜的择优生长。功率为150W时沿(111)取向择优生长，功率为200W时沿(101)取向择优生长。

6.一种氢敏材料LaNi₅薄膜的应用，其特点在于：将以上任一方法制备的LaNi₅薄膜经表面处理后应用于氢敏传感器元件。