CN108179384B - 一种表面梯度薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种表面梯度薄膜的制备方法，包括表面梯度薄膜制备装置，所述制备方法还包括以下步骤：首先将真空腔室抽真空，源内的靶材通过坩埚加热或电子束加热气化，成为离散态的微观粒子，向四周扩散；在经过遮板位置时，部分微观粒子会被遮挡，通过调节遮板的大小、方向来控制经过的微观粒子的含量和扩散的主次方向；遮板可以保持一定姿态，使各个方向源的辐射强度不同，在某个方向形成线性梯度，也可以在制备过程中保持转动，使各个方向源的辐射强度均匀。本发明提供了一种通过但不仅限于气象沉积或溅射等制备工艺，使用二元到四元甚至更多元素种类的源材，在基质上制备出横向梯度线性变化，且厚度均匀的表面梯度薄膜的制备方法。

Description

一种表面梯度薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及高通量薄膜制备技术领域，尤其是涉及一种表面梯度薄膜的制备方法。

背景技术

物质条件逐步提高的当今，材料成为了科技进步的关键性门槛。储能技术研究迟迟没有新的进展，许多机械结构无法实现，究其原因还是没有找到符合要求性能的材料。材料研究发展到如今，由于缺乏多变性，一元材料的研究已经告一段落；二元材料也在漫长的发展历史中有了一定积累；然而三元材料乃至更多元的材料组合往往只能靠前人的研究制造经验，在大部分材料领域甚至是空白的。西方的材料基因组计划也是美国经过信息技术革命后，充分认识到材料革新对技术进步和产业发展的重要作用，以及在复兴制造业的战略背景下提出来的。

高通量组合材料试验诞生于上世纪九十年代中期，是寻求材料组合并求出最优解的一种技术手段，它可以在短时间内完成大量材料样本的制备，可以极大缩短研制材料组合时间。在过去十数年中，为了加速材料科学和材料发现与优化的进程，已经开发了多组分材料的制备和研究方法。这些高通量实验方法已经在生物分子科学、催化、电化学、光电科学和材料科学等其他领域得到了广泛的应用。然而在研究多元材料成分组合的性能，寻找最优解的过程中往往需要研究极大数量级的材料组合，这就会耗费极大的人力物力。

在这样的前提下，制备能够应用于机械、材料、化学类实验用的梯度薄膜变得急切起来。薄膜的制备方式有诸如但不仅限于物理气相沉积，对向靶溅射等方式，但这些成熟的薄膜制备工艺只能制备纵向梯度的薄膜，对垂直于基质方向的成分组成进行调控，这样制备出的薄膜在平行于基质的横向方向没有梯度变化，对加快实验的进程并没有实际意义。

因此，对于不限定元素数量的基础上，我们希望能实现横向梯度薄膜的制备，同时保证薄膜厚度的均匀性。

发明内容

为了克服现有梯度薄膜制备技术存在不能制备横向梯度薄膜的缺陷，本发明提供了一种通过但不仅限于气象沉积或溅射等制备工艺，使用二元到四元甚至更多元素种类的源材，在基质上制备出横向梯度线性变化，且厚度均匀的表面梯度薄膜的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种表面梯度薄膜的制备方法，包括表面梯度薄膜制备装置，所述表面梯度薄膜制备装置包括：

可实现真空、容纳所有部件的真空腔室；

用于放置并辐射靶材的源；

可分别控制的、与源数量匹配的位于源前可实现部分遮盖的遮板；

用于沉积薄膜的基质；

置于基质背侧、用于加热的加热装置；

所述制备方法还包括以下步骤：

首先将真空腔室抽真空，源内的靶材通过坩埚加热或电子束加热气化，成为离散态的微观粒子，向四周扩散；在经过遮板位置时，部分微观粒子会被遮挡，通过调节遮板的大小、方向来控制经过的微观粒子的含量和扩散的主次方向；

当至少采用两个源时，遮板可以保持一定姿态，使各个方向源的辐射强度不同，在某个方向形成线性梯度，也可以在制备过程中保持转动，使各个方向源的辐射强度均匀；若遮板遮盖区域大小不变，则可在一定范围制备出梯度在有限范围内变化的梯度薄膜，梯度仍遵循线性变化；若控制遮盖区域匀速变化，则可通过匀速规律移动基质，在基质表面形成0％～100％多组分横向梯度变化的薄膜；通过控制基质按规律移动，可在基质的不同部位进行薄膜加工，最后通过加热装置给基质加热进行退火晶化处理。

本发明的有益效果主要表现在：本发明通过可控制姿态的遮板，对源扩散出的微观粒子进行了成分调控，使沉积在基质上的薄膜实现了组分横向梯度的线性变化；通过调控源内靶材的摩尔比，保证沉积到基质上薄膜各点厚度的均匀；通过给基质加装加热装置，给沉积到基质上的薄膜进行退火，保证沉积的薄膜符合质量要求。

附图说明

图1为梯度薄膜薄膜沉积原理图。

图2为表面梯度薄膜制备方法示意图。

图3为一种实施梯度镀膜的源的结构示意图。

图4为图3中半圆遮板与子腔室之间的装配俯视图。

图5为一种实施梯度镀膜的整体的结构示意图。

图6为四个源的分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6，一种表面梯度薄膜的制备方法，包括表面梯度薄膜制备装置，所述表面梯度薄膜制备装置包括：

可实现真空、容纳所有部件的真空腔室23；

用于放置并辐射靶材的源；

可分别控制的、与源数量匹配的位于源前可实现部分遮盖的遮板；

用于沉积薄膜的基质22；

置于基质22背侧、用于加热的加热装置24；

所述制备方法还包括以下步骤：

首先将真空腔室23抽真空，源内的靶材通过坩埚加热或电子束加热气化，成为离散态的微观粒子，向四周扩散；在经过遮板位置时，部分微观粒子会被遮挡，通过调节遮板的大小、方向来控制经过的微观粒子的含量和扩散的主次方向；

当至少采用两个源时，遮板可以保持一定姿态，使各个方向源的辐射强度不同，在某个方向形成线性梯度，也可以在制备过程中保持转动，使各个方向源的辐射强度均匀；若遮板遮盖区域大小不变，则可在一定范围制备出梯度在有限范围内变化的梯度薄膜，梯度仍遵循线性变化；若控制遮盖区域匀速变化，则可通过匀速规律移动基质，在基质表面形成0％～100％多组分横向梯度变化的薄膜；通过控制基质按规律移动，可在基质的不同部位进行薄膜加工，最后通过加热装置给基质加热进行退火晶化处理。

如图2所示，8、9分别是一个源，6为两个源沉积的镀膜，源内的靶材吸收能量，升温气化，并向四周扩散，辐射微观粒子。由于遮板15离源8的位置相对较近，辐射出的粒子大部分会经过遮板15所处位置，当源和遮板的距离相对于源和基质距离小很多时，在基质某一点的沉积速率可以简单的近似为该点正对蒸发区域面积大小成比例，并且成明确的线性，即基质不同点上接受同一源的粒子辐射量是不同的，同时由于各个遮板可以分别控制，通过调整遮板的姿态，基质上相同点接受的不同源的粒子辐射量也是不同的，但由于粒子向四周辐射的概率相同，相同元素在基质上沉积形成的梯度薄膜含量变化始终符合线性变化规律；基质也可以控制移动，在不同部位继续加工梯度薄膜，由于遮板大小可调，通过有规律地移动基质，且均匀速度变化遮板遮盖部分的大小，可以在基质上实现0％～100％的梯度变化；由于粒子辐射带有相当大的热量，沉积到温度较低的基质上时会快速降温，而且制备的薄膜厚度极薄，并不能形成晶体形态，比之晶体会有较大的性能损失，因此在基质上加装加热装置，用于给沉积到基质上的薄膜进行退火晶化处理，以提升薄膜性能。

遮板15的姿态可控可记录，根据遮板15的姿态，可以判断各个元素在基质22上梯度变化的方向及规律，梯度变化的规律性也大大方便了后续材料性能实验的进行。基质22可以通过控制使其按规律移动，可以在基质的不同部位进行加工。

下面列举一种基于物理气相沉积技术的设备以证明机械结构实现的可行性。

如图3～图5所示，一种表面梯度薄膜制备装置，主腔室内部伸出四个支架，将源安装到支架上。源是实现表面梯度薄膜的PVD方法的核心部件。主要包括：步进电机9、螺栓10、小齿轮11、大齿轮12、轴承13、螺母14、半圆遮板15、晶振片16、子腔室17、靶材18、坩埚19。所述步进电机9使用螺栓10固定在支架上。小齿轮11安装在步进电机9上与大齿轮12相啮合，大齿轮13安装在支架上，用螺母14固定。大齿轮13另一半与半圆遮板16啮合，半圆遮板15套在子腔室17上端，可以自由转动。晶振片16安装在半圆遮板15下端，晶振片16可以根据振动和频率的变化计算出薄膜的厚度，因此可以根据晶振片振动频率变化计算得到蒸发源的实时蒸镀速率，从而控制膜厚。子腔室17底部安装坩埚19，坩埚19内放置所需镀膜的靶材18。

当单个源工作时，如图1所示，2为薄膜，3为蒸发通量，5为源，先把主腔室23内抽真空，将靶材通过加热蒸发或者用一定能量的粒子轰击源物质靶，从靶上溅射出源物质原子等方法将源物质变成微观粒子，微观粒子向上逸散，通过晶振片16知道微观粒子的通量大小，当通量达到一定范围时，打开主盖板20，让微观粒子沉积到基质22上。由于半圆遮板15的存在，微观粒子并不是均匀的沉积到基质上。当沉积时半圆遮板15保持固定的方向时，基质22上薄膜成分是线性梯度变化的，从0～100％渐变，这样就在同一块基质上镀上了一层梯度渐变膜，并且成分在正交方向上是恒定的。半圆遮板15的方向可以控制基质22上材料通量的梯度方向。

如图4、图5所示，源的相应位置由图可知，将四个源安装在主腔室21内部，子腔室18有一定倾角，使子腔室17中心线与基地中心相交。在四个子腔室17上方有一个主盖板21将主腔室24分成两个部分。主盖板20的作用是在靶材18处于预热状态时，靶材18的蒸发通量处于不稳定状态，此时主盖板20处于关闭状态，将蒸发通量拦截住，直达蒸发通量稳定后，打开主盖板20，是镀膜质量均匀。基质22处于主盖板20上方，安装在主腔室21内部，基质22下表面正对四个子腔室的口，可以进行镀膜。因为PVD的镀膜如果不经过退火处理在镀膜内会存在大量非晶体，严重影响着镀膜的质量。所以基质22上面有加热装置24，可以进行退火处理，将非晶体晶化提升镀膜质量。

如图2所示，上文已经简要叙述过两个源共同工作时的状态，这里简要叙述以三个源共同工作的状态，简述多源共沉积表面梯度薄膜的方法。三个源工作时，可以将三个半圆遮板15相互定位在120°，以产生类似于三角形三元组成图的组成分布。这样子成分分布类似于等边三角形，某顶点上对应的源材料成分为100％，其它两个源成分为0，成分沿着边呈线性变化，这样子就在三角形的区域镀上了一层连续渐变式梯度分布的多元薄膜。根据单一源做的实验，我们可以大致判断出三角形内部每一点的成分分布，这对我们接下来做实验有着极大的好处。这个方法更重要的好处是，在沉积期间半圆遮板可以任意转动，这意味着可以控制三元三角形的形状和跨度。这有效扩大了组合空间的选定区域，使得各个源成分的搭配趋于无穷，各种配比都能实现，而不是仅仅一种配比。这样在三个源通量相等的情况下，可以仅仅通过简单的半圆遮板15的旋转来改变成分搭配，这是一种简单而高效的方法。并且可以在沉积过程中进行旋转，来沉积获得多层混合的薄膜，每层之间由于是连续沉积而获得的，这样的多层薄膜不易分解，附着力比较强。是理想的实验薄膜。

上述表面梯度薄膜制备方法可以一次性在一块基质上制备多组分线性梯度变化的薄膜，对于后续的高通量组合材料实验来说一次性制备了大量的实验样本，可以较快的完成对数种材料配比的性能研究。相较传统纵向梯度薄膜，一次制备只能得到一个样本，本方法提供的横向梯度薄膜具有更加现实的研究意义。由于可以生产组分含量不变的薄膜，该方法通过生产改造，还可以用于大规模薄膜的柔性生产。该方法原理简单，机械结构可行性极大，改造空间也较大。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种表面梯度薄膜的制备方法，其特征在于：包括表面梯度薄膜制备装置，所述表面梯度薄膜制备装置包括：

实现真空、容纳所有部件的真空腔室；

用于放置并辐射靶材的源；

分别控制的、与源数量匹配的位于源前可实现部分遮盖的遮板；

用于沉积薄膜的基质；

置于基质背侧、用于加热的加热装置；

所述制备方法还包括以下步骤：

首先将真空腔室抽真空，源内的靶材通过坩埚加热或电子束加热气化，成为离散态的微观粒子，向四周扩散；在经过遮板位置时，部分微观粒子会被遮挡，通过调节遮板的大小、方向来控制经过的微观粒子的含量和扩散的主次方向；通过调控源内靶材的摩尔比，保证沉积到基质上薄膜各点厚度的均匀；

至少采用两个源，遮板可以自由调整遮罩角度，使各个方向源的辐射强度不同，在被遮罩面到未遮罩面形成线性梯度，或者遮板在制备过程中保持转动，使各个方向源的辐射强度均匀；若遮板遮盖区域大小不变，则制备出梯度在有限范围内变化的梯度薄膜，梯度仍遵循线性变化；若控制遮盖区域匀速变化，则通过匀速规律移动基质，在基质表面形成0％～100％多组分横向梯度变化的薄膜；通过控制基质按规律移动，在基质的不同部位进行薄膜加工，最后通过加热装置给基质加热进行退火晶化处理。

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