CN103952679A - 一种mocvd纳米镍涂层及其制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MOCVD纳米镍涂层及其制备装置，其特征在于集羰基镍的制备、裂解和处理于一体，以镍粉和CO反应生成的Ni(CO)₄为前驱体，制备的镍涂层有等轴晶，涂层厚度为1～10nm的原子厚度。反应中，CO既作为羰基镍蒸汽的载体又作为生成羰基镍的反应物和羰基镍裂解的产物。其中，有一管道将Ni(CO)₄裂解沉积镍涂层的装置与盛有醇溶液的闭口容器相联，该管道一端伸长到裂解装置顶部，另一端接入装有盛有醇溶液中，且在醇溶液上部有管道将剩余气体循环接入羰基镍生成装置。该系统采用有效的装置对实验有毒气体进行控制和处理，保障了实验环境和操作人员的安全，整体操作简单，CO循环利用，污染小、效率高、降低成本。

Description

一种MOCVD纳米镍涂层及其制备装置

技术领域

本发明涉及一种镍涂层及其制备装置，特别是涉及一种MOCVD纳米镍涂层及其制备装置。

背景技术

金属有机化学气相沉积(MOCVD)是以低温下易挥发的金属有机化合物为前驱体，在预加热的衬底表面发生分解、氧化或还原反应而制成制品或薄膜的技术。与传统的化学气相沉积方法相比，金属有机化学气相沉积(MOCVD)的沉积温度相对较低，能沉积超薄层甚至原子层的特殊结构表面，可在不同的基底表面沉积不同的薄膜，现已在半导体器件、金属、金属氧化物、金属氮化物等薄膜材料的制备与研究方面得到广泛的应用。

前驱体按其基团及衍生物大体可分为三类：含有-CH₃COCH₂COCH₃基团、-C₅H基团或者Ni-N键的金属有机化合物。其中，羰基化合物由于其熔点及沸点低，某些特定的热解条件下极易制备零维、一维或二维纳米材料，是许多高新技术及材料的源头。利用羰基镍可制备出形状不同、性能各异的各种镍的纳米材料，满足许多新材料、新技术的要求，也是当前羰基镍技术发展的重要方向。由于羰基法制备的具有特殊结构状态的镍产品，具有优良的物理和化学特性，是许多领域，尤其是高技术产业的重要原料；但是，羰基镍有着强烈的毒性，研制新的性能优异的替代前驱体或者设计完整的MOCVD制备系统成了人们不断努力的两个方向。

公开(公告)号为101189250的中国发明专利涉及一种挥发性的新型有机镍化合物氨基烷氧基镍络合物及其制备方法，它满足金属有机化学气相沉积法对前驱体的相关性能要求，在基底上形成改进质量的镍薄膜。但是，该络合物结构复杂，蒸发、裂解温度也较高。现有的一些专利技术，如公开(公告)号为101265570、101921999A、102618847A的中国发明专利都涉及金属有机化学气相沉积的反应装置，但它们主要都是针对前驱体裂解反应室做出的改进或设计，不能很好地解决类似羰基镍等有毒前驱体的安全处理问题。

发明内容

本发明提供一种MOCVD纳米镍涂层，以镍与CO在40～90℃下反应生成的Ni(CO)₄为前驱体，在120～190℃、100Pa的真空压力下沉积镍涂层，其中涂层厚度为1～10nm的原子厚度。涂层生长温度较低，临界形核自由能下降，形成的核心数目增加，有利于形成晶粒细小而连续的薄膜组织。制备得到的镍涂层晶粒有等轴晶，等轴晶由于其晶界面积大，晶粒之间的位向不同，缺陷分布比较分散，因此有利于材料综合力学性能的提高。

本发明提供一种MOCVD纳米镍涂层的制备装置，包括镍粉与CO反应生成Ni(CO)₄的装置，Ni(CO)₄裂解沉积镍涂层的装置和尾气处理及循环利用的装置。该系统的特征在于，集羰基镍的制备、裂解和处理于一体，循环利用CO，既作为羰基镍蒸汽的载体又作为羰基镍反应物和羰基镍裂解产物，利用截止阀和针阀控制气体流速和发应的进度，其中在裂解装置上另设有N2通入口和液氮冷阱接入口，用于未反应完全有毒蒸汽的处理。其中，CO与镍粉的反应装置利用水浴加热，维持恒温在40～90℃；沉积基台内设有加热电阻，温度可控并可维持稳定在120～190℃，基台上部2～5cm罩有羰基镍蒸汽楔形出口，而出气管道一端伸长到裂解装置顶部，另一端接入醇溶液中，且在醇溶液上部有管道将剩余气体循环接入羰基镍反应装置，管道与装置之间都装有截止阀或针阀。

本发明的主要优点是：①采用MOCVD技术，具有沉积温度低、材料组成成分易于控制、工艺简单等特点，沉积的镍薄膜可以达到1～10nm的原子厚度；②整体操作简单，利用反应生成的羰基镍来裂解，CO可循环利用，污染小、效率高、降低成本；③制备得到的镍涂层晶粒有等轴晶，等轴晶由于其晶界面积大，晶粒之间的位向不同，缺陷分布比较分散，因此有利于材料综合性能的优化；④利用羰基镍作为前驱体，除了在经济上具有明显的优势外，还具有极好的涂覆能力，即可以做到对极细孔径材料又可以对较厚板材在整个厚度上均匀沉积镍层；⑤涂层生长温度较低，临界形核自由能下降，形成的核心数目增加，有利于形成晶粒细小而连续的薄膜组织。⑥采用有效的装置对实验有毒气体进行控制和处理，保障了实验环境和操作人员的安全。

附图说明

图1为本发明所述的一种MOCVD纳米镍涂层的制备装置。

图示10为镍粉；20为水浴锅；30为镍粉与CO反应生成Ni(CO)₄的装置；40为针阀；50为基台；60为楔形出口；70为Ni(CO)₄裂解沉积镍涂层的装置；80为截止阀；90为闭口容器；100为醇溶液。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

实施例1

(1)打开Ni(CO)₄裂解沉积装置上的N₂截止阀和液氮冷阱截止阀，通入N₂5min后关闭两阀门，在沉积基台上放置处理好的待涂层基体，封闭装置抽真空到100Pa，并加热基台到120℃；

(2)打开羰基镍生成、盛醇容器与裂解沉积装置之间的针阀和截止阀，将水浴锅加热到50℃，反应5min

(3)关闭水浴锅，关闭羰基镍生成、盛醇容器与裂解沉积装置之间的针阀和截止阀，关闭基台加热电阻；

(4)打开Ni(CO)₄裂解沉积装置上的N₂截止阀和液氮冷阱截止阀，通入N₂30min后关闭两阀门；

(5)打开Ni(CO)₄裂解沉积装置的炉门，取出沉积有镍涂层的材料。

实施例2

(1)打开Ni(CO)₄裂解沉积装置上的N₂截止阀和液氮冷阱截止阀，通入N₂10min后关闭两阀门，在沉积基台上放置处理好的待涂层基体，封闭装置抽真空到100Pa，并加热基台到190℃；

(2)打开羰基镍生成、盛醇容器与裂解沉积装置之间的针阀和截止阀，将水浴锅加热到90℃，反应8min；

(3)关闭水浴锅，关闭羰基镍生成、盛醇容器与裂解沉积装置之间的针阀和截止阀，关闭基台加热电阻；

(4)打开Ni(CO)₄裂解沉积装置上的N₂截止阀和液氮冷阱截止阀，通入N₂40min后关闭两阀门；

(5)打开Ni(CO)₄裂解沉积装置的炉门，取出沉积有镍涂层的材料。

上述仅为本发明的两个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种MOCVD纳米镍涂层及其制备装置，其特征在于该装置集羰基镍的制备、裂解和处理于一体，以镍粉和CO反应生成的Ni(CO)₄为前驱体，制备的镍涂层有等轴晶。

2.根据权利要求1所述的镍涂层，其特征在于以镍粉与CO在40～90℃下反应生成Ni(CO)₄，在120～190℃、100Pa的真空压力下Ni(CO)₄裂解在基体上沉积镍涂层，涂层厚度为1～10nm的原子厚度。

3.根据权利要求书1所述的MOCVD纳米镍涂层的制备装置，其特征在于包括镍粉与CO反应生成Ni(CO)₄的装置，Ni(CO)₄裂解沉积镍涂层的装置和尾气处理及循环利用的装置，CO既作为羰基镍蒸汽的载体又作为生成羰基镍的反应物和羰基镍裂解的产物。

4.根据权利要求书1所述的MOCVD纳米镍涂层的制备装置，其特征在于利用截止阀和针阀控制气体流速和发应的进度，其中在裂解装置上另设有N₂通入口和液氮冷阱接入口。

5.根据权利要求书1所述的MOCVD纳米镍涂层的制备装置，其特征在于镍粉与CO反应生成Ni(CO)₄的装置利用水浴加热；沉积基台内设有加热电阻，温度可控并可维持稳定，基台上部2～5cm罩有羰基镍蒸汽楔形出口。

6.根据权利要求书1所述的MOCVD纳米镍涂层的制备装置，其特征在于有一管道将Ni(CO)₄裂解沉积镍涂层的装置与盛有醇溶液的闭口容器相联，该管道一端伸长到裂解装置顶部，另一端接入装有盛有醇溶液中，且在醇溶液上部有管道将剩余气体循环接入羰基镍生成装置。