CN104451597B - 一种固体润滑ZnS薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种固体润滑ZnS薄膜的制备方法，将经严格清洗的基底放入原子层沉积系统（ALD）腔内，使用二乙基锌（Zn(C2H5)2）液体金属源和H2S气体硫源制备ZnS薄膜；将获得的ZnS薄膜采用硫化退火工艺进行处理，得到固体润滑ZnS薄膜。本发明方法采用原子层沉积工艺，可以较好地控制ZnS薄膜的厚度，提高金属源和气体源的利用率。硫化系统工艺参数完善，在少量H2S下即可完成硫化退火步骤；制备的ZnS薄膜颗粒分布均匀，力学性质优异，摩擦系数可稳定在0.1的数量级上。本发明涉及的制备方法，参数易控，可重复性高，适用产业化生产环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体润滑薄膜，具体涉及到一种具有润滑作用的固体ZnS薄膜的制备方法与应用。
背景技术
每年约有三分之一的一次性能源由摩擦过程消耗，在工业领域，约有80%的机器零部件失效都是由磨损造成的。因此，降低摩擦磨损对节约能源和资源，缓解环境污染，改善生态环境均具有重要的社会和经济效益。
与液体润滑研究的成熟度相比，固体润滑材料主要集中在以石墨烯为代表的层状结构材料，包括单层石墨烯、二硫化钼、二硫化钛等。已有研究者将石墨烯誉为最薄的固体润滑材料，（ACS Nano, 2011, vol. 5 (6), pp 5107–5114），同时将其运用于钢铁表面降摩擦系数,(Carbon, 2013, Vol. 54, 454–459)。但具有层状结构的润滑物，剪切强度较低、同时容易黏附于基材表面。同时多需要在单层或少数层下才能实现，而制备单层的石墨烯、二硫化钼或二硫化钛等，仍需要苛刻的工艺参数及特殊的基底。，给实际应用带来了诸多限制。
ZnS作为润滑材料，多是以纳米颗粒方式混入液体中实现，，并对表面形貌具有明显的依赖性。而具有润滑作用的ZnS固体薄膜一直未有突破。
发明内容
本发明针对固态ZnS薄膜润滑效果有限的局限，提供了一种由原子层沉积和硫化退火相结合的方法制备得到具有优异润滑作用ZnS薄膜。
一种固体润滑ZnS薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将经严格清洗的基底放入原子层沉积系统（ALD）腔内，使用二乙基锌（Zn(C2H5)2）液体金属源和H2S气体硫源制备ZnS薄膜；
（2）将步骤（1）中获得的ZnS薄膜采用硫化退火工艺进行处理，得到固体润滑ZnS薄膜。
所述反应源为二乙基锌Zn(C2H5)2和浓度为10%的H2S气体，反应温度控制在120-180℃；二乙基锌Zn(C2H5)2源的脉冲时间为0.1-0.3秒，高纯氮冲洗时间为3-8秒；H2S气体源的脉冲时间为5-15秒，冲洗时间为10-20秒。
所述进行硫化退火处理时，需将将硫化管的本底真空抽至10-3Pa数量级；通入H2S浓度在20%-50%间的H2S和N2的混合气体，使得硫化管道内的气压维持在0.04MPa；硫化退火温度应为500℃，退火时间在30-120分钟。
本发明的特点和增益效果如下：
本发明方法采用原子层沉积工艺，可以较好地控制ZnS薄膜的厚度，提高金属源和气体源的利用率。硫化系统工艺参数完善，在少量H2S下即可完成硫化退火步骤；制备的ZnS薄膜颗粒分布均匀，力学性质优异，摩擦系数可稳定在0.1的数量级上。本发明涉及的制备方法，参数易控，可重复性高，适用产业化生产环境。
附图说明
图1：本发明实施案例1制备的硫化退火后获得的ZnS的SEM图。
图2：本发明实施案例1制备的硫化退火获得的ZnS薄膜的摩擦测试图。
具体实施方式
本发明中所述的原子层沉积系统为芬兰的picosun原子层沉积系统，退火系统为自己搭建的硫化系统，将结合实施例对技术方案进行作详细说明。所有实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
(1)将表面严格清洗后的Si作为基底，放入ALD沉积室内，加热至150℃，设置二乙基锌Zn(C2H5)2源的脉冲时间为0.1秒，冲洗时间为3秒；H2S气体源的脉冲时间为10秒，冲洗时间为15秒。本实施案例中沉积循环数目为300个。
(2)将获得的ZnS薄膜在浓度为20%的H2S和N2混合氛围下进行硫化退火，温度为500°C ，退火时间为120分钟。
图1为硫化退火后获得ZnS的SEM图；硫化退火后薄膜晶粒分布均匀。
图2为硫化退火后获得ZnS薄膜的摩擦测试图。测试条件为：负荷50g直径4mm的钢球；在1Hz的频率下进行行程为5mm往复摩擦。
实施例2：
(1) 将表面严格清洗后的Si作为基底，放入ALD沉积室内，加热至120℃，设置二乙基锌Zn(C2H5)2源的脉冲时间为0.2秒，冲洗时间为8秒；；H2S气体源的脉冲时间为5秒，冲洗时间为10秒。本实施案例中沉积循环数目为200个。
(2) 将获得的ZnS薄膜在浓度为30%的H2S和N2混合氛围下进行硫化退火，温度为500°C ，退火时间为90分钟。
实施例3：
(1) 将表面严格清洗后的Si作为基底，放入ALD沉积室内，加热至180℃，设置二乙基锌Zn(C2H5)2源的脉冲时间为0.3秒，冲洗时间为8秒；；H2S气体源的脉冲时间为15秒，冲洗时间为20秒。本实施案例中沉积循环数目为400个。
(2) 将获得的ZnS薄膜在浓度为40%的H2S和N2混合氛围下进行硫化退火，温度为500°C ，退火时间为60分钟。
实施例4：
(1) 将表面严格清洗后的Si作为基底，放入ALD沉积室内，加热至150℃，设置二乙基锌Zn(C2H5)2源的脉冲时间为0.1秒，冲洗时间为3秒；H2S气体源的脉冲时间为10秒，冲洗时间为15秒。本实施案例中沉积循环数目为300个。
(2) 将获得的ZnS薄膜在浓度为50%的H2S和N2混合氛围下进行硫化退火，温度为500°C ，退火时间为30分钟。
Claims (1)
1.一种固体润滑ZnS薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将经严格清洗的基底放入原子层沉积系统（ALD）腔内，使用二乙基锌Zn(C2H5)2液体金属源和H2S气体硫源制备ZnS薄膜；
（2）将步骤（1）中获得的ZnS薄膜采用硫化退火工艺进行处理，得到固体润滑ZnS薄膜；
所述H2S气体硫源的浓度为10%的H2S气体，反应温度控制在120-180℃；二乙基锌Zn(C2H5)2液体金属源的脉冲时间为0.1-0.3秒，高纯氮冲洗时间为3-8秒；H2S气体源的脉冲时间为5-15秒，冲洗时间为10-20秒；
所述进行硫化退火处理时，将硫化管的本底真空抽至10-3Pa数量级；通入H2S浓度在20%-50%间的H2S和N2的混合气体，使得硫化管道内的气压维持在0.04MPa；硫化退火温度为500℃，退火时间在30-120分钟。
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