CN107460485A - 一种离子溅蚀在金属表面制备孔径可控纳米多孔的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于先进纳米结构制备技术领域，特别涉及一种离子溅蚀在金属表面制备孔径可控纳米多孔的方法。将清洗过的金属件固定于靶盘上并放入对配有离子束辐照系统的真空腔中，抽真空使其真空度达到10‑4Pa级；对金属件表面进行离子束辐照处理，离子束与金属面间入射角的选取范围为80°‑90°，离子束加速电压的选取范围为1keV‑100keV，束流大小的选取范围为100mA‑50μA，离子辐照剂量的选取范围为1014‑1018cm‑2；使用离子束顺次扫过待制备纳米多孔结构的金属表面，并通过控制离子束的辐照剂量来实现合金表面不同孔径纳米多孔的制备。

Description

一种离子溅蚀在金属表面制备孔径可控纳米多孔的方法
技术领域
本发明属于先进纳米结构制备技术领域，特别涉及一种离子溅蚀在金属表面制备孔径可控纳米多孔的方法。
背景技术
纳米多孔金属是一种具有纳米量级尺寸孔径的多孔材料，具有具有纳米材料的一些特殊物理、化学及力学性能。而且，相对于传统的多孔金属材料，纳米多孔金属材料还具有高比表面积、良好的导电、高度活性、稳定性、可调控性和生物相容性等特点。这就使得纳米多孔金属材料在催化、传感器、光学、电化学驱动、能量存储、热交换和生物检测等领域都有着巨大的应用前景。
目前，用于制备纳米多孔金属材料的方法，主要有去合金化法和模板法。去合金化法制备纳米多孔金属材料，其基本原理是利用不同金属之间的不同化学势，将合金中较活拨的一种或多种组分去除，余下的组分通过扩散，聚集等方式在反应界面自发形成一种具有三维双连续的多孔网络状结构。然而，使用去合金化法制备纳米多孔金属时，合金中被腐蚀的较活泼金属与形成韧带的较稳定金属间需形成均匀的固溶体或者金属间化合物。且两者的比例不能相差太多，并满足一定的电势差(几百毫伏)，以便将较活泼的金属腐蚀分离。此外，还需要较稳定金属在固液界面具有一定的扩散系数。
模板法是指利用具有纳米多孔结构的材料作为模板制备纳米多孔材料的方法。常用的模板有阳极氧化铝(AAO)模板、聚碳酸酯(PC)模板、蛋白石/反蛋白石结构模板和气泡模板等。不过，模板法制备的孔结构会受到模板结构的限制，其工艺复杂、成本高、并不适合批量生产、且容易受到制备过程中残留模板的污染等缺点。
离子辐照技术是一种精确控制材料表面和界面特性的方法。其技术原理是将离子源产生的离子加速后高速射向材料表面，并在与金属表层原子的碰撞过程中使一部分原子发射溅射脱离金属，进而刻蚀金属表面形成特定的纳米结构。相对于去合金化法和模板法而言，离子束刻蚀法不受基体金属固溶度的影响，具有加工精度高、化学上纯净、操作简单、工艺可控等优点。基于此，本发明开发出一种使用离子溅蚀在金属表面制备孔径可控纳米多孔的方法。
发明内容
本发明开发出一种离子溅蚀在金属表面制备孔径可控纳米多孔的工艺方法，其特征为按按照如下步骤进行：
将清洗过的金属件固定于靶盘上并放入对配有离子束辐照系统的真空腔中，抽真空使其真空度达到10-4Pa级；对金属件表面进行离子束辐照处理，离子束与金属面间入射角的选取范围为80°-90°，离子束加速电压的选取范围为1keV-100keV，束流大小的选取范围为100mA-50μA，离子辐照剂量的选取范围为1014-1018cm-2；使用离子束顺次扫过待制备纳米多孔结构的金属表面，并通过控制离子束的辐照剂量来实现合金表面不同孔径纳米多孔的制备。
所述清洗是指将金属件的抛光面朝上放于装有丙酮的烧杯中，进行超声清洗30分钟，随后取出再放于另一装有丙酮的烧杯中再次超声清洗20分钟以上，取出吹干备用。
所述金属件抛光是通过砂纸打磨和机械抛光使待离子辐照金属表面粗糙度低于0.05μm。
优选的：离子束与金属面间入射角的选择范围为84°-89°。
优选的：离子束加速电压的选择范围为20keV-80keV。
优选的：离子束束流大小的选择范围为1μA-30μA。
优选的：离子辐照剂量的选择范围为1015-1016cm-2。
优选的：离子束主要是包括H+、He+、Ar+在内的轻离子束。
本发明在金属表面制备纳米多孔结构的原理是利用入射高能离子对金属表面的溅射刻蚀作用，通过控制入射离子使之与金属表面呈特定角度(80°-90°)进行辐照来使金属面出现较圆整的纳米孔，通过控制离子辐照的剂量来调节金属表面所形成纳米孔的大小。
本发明在金属表面制备的纳米多孔结构具有如下特征和优点：
本发明所制备纳米孔的边界比较圆整，分布比较均匀，纳米孔的孔径可以根据实际需要通过控制离子辐照剂量来进行调节。
本发明中所述纳米孔的圆整程度与辐照离子的入射角有直接关系，入射角越大，所形成的纳米孔越圆整。
本发明中所述纳米孔的孔径与离子辐照的剂量成正比关系，辐照剂量越大，纳米孔的直径越大。
本发明的制备工艺流程简单，操作容易，可在金属表面快速形成纳米孔，生产周期短，成本较低。
附图说明
图1对Ni基合金进行入射角为90°，加速电压为30keV，束流大小为18μA，辐照剂量为1015cm-2离子束辐照后的金属表面纳米多孔结构形貌与尺寸分布，(a)SEM图，(b)纳米孔的孔径分布统计图。
图2对Ni基合金进行入射角为86°，加速电压为50keV，束流大小为30μA，辐照剂量为1016cm-2离子束辐照后的金属表面纳米多孔结构形貌与尺寸分布，(a)SEM图，(b)纳米孔的孔径分布统计图。
图3对Ni基合金进行入射角为85°，加速电压为50keV，束流大小为30μA，辐照剂量为1017cm-2离子束辐照后的金属表面纳米多孔结构形貌与尺寸分布，(a)SEM图，(b)纳米孔的孔径分布统计图。
具体实施方式
实施例1：
以GH4169镍基高温合金为受辐照金属，其各元素的质量百分比分布为：Ni 50％-55％，Cr 17％-21％，Mo 2.8％-3.3％，Ti 0.75％-1.15％，Al 0.3％-0.7％，C≤0.08％，余量为Fe。使用150目至1000目的砂纸对上述GH4169合金试样表面进行打磨后，再使用金刚石喷雾抛光剂在机械抛光机对其进行抛光处理，直至表面粗糙度低于0.05μm。随后将合金抛光面朝上置于倒有丙酮的烧杯中，进行超声清洗30分钟，取出后放于另一装有丙酮的烧杯中再次超声清洗30分钟。清洗完成后，取出合金吹干并固定于靶盘上并放入对配有离子束辐照系统的真空腔中，抽真空使其真空度达到10-4Pa级。
离子束辐照工艺为：选用He+离子束，在设置加速电压为30keV，束流大小为18μA，离子束与合金间的入射角为90°后，对合金进行剂量为1015cm-2的辐照，此时可以获得在合金表面获得平均孔径为136nm的纳米多孔结构，辐照结果如图1所示。
在对金属进行离子辐照后，金属表面就会因为入射高能离子的溅射刻蚀作用而形成纳米孔。这些先形成纳米孔在后续的辐照过程中会持续长大，或者几个纳米孔间出现合并长大，通常持续长大的纳米孔可以保持很好的圆整性，而合并长大的纳米孔的圆整性则较差。从图1中可以发现，较小的纳米孔具有很好的圆整性，分布较均匀，而较大的纳米孔则会出现圆整度的变化。
实施例2：
以GH4169镍基高温合金为受辐照金属，其各元素的质量百分比分布为：Ni 50％-55％，Cr 17％-21％，Mo 2.8％-3.3％，Ti 0.75％-1.15％，Al 0.3％-0.7％，C≤0.08％，余量为Fe。使用150目至1000目的砂纸对上述GH4169合金试样表面进行打磨后，再使用金刚石喷雾抛光剂在机械抛光机对其进行抛光处理，直至表面粗糙度低于0.05μm。随后将合金抛光面朝上置于倒有丙酮的烧杯中，进行超声清洗30分钟，取出后放于另一装有丙酮的烧杯中再次超声清洗20分钟。清洗完成后，取出合金吹干并固定于靶盘上并放入对配有离子束辐照系统的真空腔中，抽真空使其真空度达到10-4Pa级。
离子束辐照工艺为：选用He+离子束，在设置加速电压为50keV，束流大小为30μA，离子束与合金间的入射角为86°后，对合金进行剂量为1016cm-2的辐照，此时可以获得在合金表面获得平均孔径为340nm的纳米多孔结构，辐照结果如图2所示。
比较图1和图2可以发现，1016cm-2的辐照合金表面所形成的纳米孔的平均直径是1015cm-2的辐照合金表面所形成的纳米孔平均直径的～2.5倍。可见，离子辐照金属表面所形成纳米孔的平均直径与辐照剂量呈正比关系，提高离子辐照剂量则可以有效提高纳米孔的尺寸。
实施例3：
以GH4169镍基高温合金为受辐照金属，其各元素的质量百分比分布为：Ni 50％-55％，Cr 17％-21％，Mo 2.8％-3.3％，Ti 0.75％-1.15％，Al 0.3％-0.7％，C≤0.08％，余量为Fe。使用150目至1000目的砂纸对上述GH4169合金试样表面进行打磨后，再使用金刚石喷雾抛光剂在机械抛光机对其进行抛光处理，直至表面粗糙度低于0.05μm。随后将合金抛光面朝上置于倒有丙酮的烧杯中，进行超声清洗30分钟，取出后放于另一装有丙酮的烧杯中再次超声清洗25分钟。清洗完成后，取出合金吹干并固定于靶盘上并放入对配有离子束辐照系统的真空腔中，抽真空使其真空度达到10-4Pa级。
离子束辐照工艺为：选用He+离子束，在设置加速电压为50keV，束流大小为30μA，离子束与合金间的入射角为85°后，对合金进行剂量为1017cm-2的辐照，此时可以获得在合金表面获得平均孔径为510nm的纳米多孔结构，辐照结果如图3所示。
比较图2和图3可以发现，1017cm-2的辐照合金表面所形成的纳米孔的平均直径是1016cm-2的辐照合金表面所形成的纳米孔平均直径的～1.5倍。虽然，辐照剂量越高，金属表面所纳米孔的尺寸越大，但纳米孔长大的速度却越来越慢。因而，通过本发明所述的工艺方法在金属表面制备50nm-800nm尺寸的纳米孔的具有很高的效率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种离子溅蚀在金属表面制备孔径可控纳米多孔的方法，利用入射高能离子对金属表面的溅射刻蚀作用，通过控制入射离子使之与金属表面呈特定角度进行辐照来使金属面出现圆整的纳米孔，通过控制离子辐照的剂量来调节金属表面所形成纳米孔的大小，其特征在于：将清洗过的金属件固定于靶盘上并放入对配有离子束辐照系统的真空腔中，抽真空使其真空度达到10-4Pa级；对金属件表面进行离子束辐照处理，离子束与金属面间入射角的选取范围为80°-90°，离子束加速电压的选取范围为1keV-100keV，束流大小的选取范围为100mA-50μA，离子辐照剂量的选取范围为1014-1018cm-2；使用离子束顺次扫过待制备纳米多孔结构的金属表面，并通过控制离子束的辐照剂量来实现合金表面不同孔径纳米多孔的制备。
2.如权利要求1所述的一种离子溅蚀在金属表面制备孔径可控纳米多孔的方法，其特征在于：所述清洗是指将金属件的抛光面朝上放于装有丙酮的烧杯中，进行超声清洗30分钟，随后取出再放于另一装有丙酮的烧杯中再次超声清洗20分钟以上，取出吹干备用。
3.如权利要求2所述的一种离子溅蚀在金属表面制备孔径可控纳米多孔的方法，其特征在于：所述金属件抛光是通过砂纸打磨和机械抛光使待离子辐照金属表面粗糙度低于0.05μm。
4.如权利要求1所述的一种离子溅蚀在金属表面制备孔径可控纳米多孔的方法，其特征在于：离子束与金属面间入射角的选择范围为84°-89°。
5.如权利要求1所述的一种离子溅蚀在金属表面制备孔径可控纳米多孔的方法，其特征在于：离子束加速电压的选择范围为20keV-80keV。
6.如权利要求1所述的一种离子溅蚀在金属表面制备孔径可控纳米多孔的方法，其特征在于：离子束束流大小的选择范围为1μA-30μA。
7.如权利要求1所述的一种离子溅蚀在金属表面制备孔径可控纳米多孔的方法，其特征在于：离子辐照剂量的选择范围为1015-1016cm-2。
8.如权利要求1所述的一种离子溅蚀在金属表面制备孔径可控纳米多孔的方法，其特征在于：离子束是包括H+、He+、Ar+在内的轻离子束。
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