CN108588646A - 一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法，采用磁控溅射的方法沉积第一非晶层，然后在第一非晶层上再沉积第二非晶层，交替沉积形成非晶/非晶纳米多层薄膜。本发明制备的多层膜界面明晰,可以很容易通过控制单层薄膜的厚度来得到塑性提高的多层薄膜，从而为制备力学性能可控的非晶/非晶纳米多层薄膜材料提供可能。

Description

一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法

技术领域

本发明属于纳米金属薄膜材料技术领域，特别涉及一种制备非晶/非晶纳米多层薄膜的方法。

背景技术

非晶合金又称金属玻璃是采用现代快速凝固冶金技术合成的兼有一般金属和玻璃的优异性能的新型非晶材料。材料的本质特性由原子结构和化学键共同决定，金属玻璃主要由金属元素和金属键组成同时保持着长程无序的非晶结构，这种“金属”和“玻璃”的结合赋予了金属玻璃其他材料无法具有的优异性能，例如韧性好、不透明等。另外，从某种意义上来说，非晶态结构是无缺陷的，不含有晶体中的位错、孪晶和晶界等结构缺陷，这也使非晶合金具有高强度、高耐磨性及优异的磁学性能等优异性能。

非晶合金的主要变形方式为局部剪切带变形，由于非晶合金中没有晶体中所含有的位错、晶界和孪晶等微观结构缺陷，进而无法限制主剪切带的扩展最终造成材料灾难性的断裂，室温下缺乏延展性尤其是拉伸塑形几乎为零严重制约了非晶合金的发展和其在工程材料领域的应用。因此，提高非晶合金的塑性显得尤为重要。

现有的克服非晶合金脆性的方法主要有：(1)利用非晶合金的尺寸效应，将试样尺寸降低到某一临界尺寸以下，此时剪切带形核困难、剪切转变区不易聚集成剪切带而表现为均匀的塑性变形，但是这种方法一般要将试样尺寸降低到100纳米以下，因此很难实现。(2)非晶/晶体多层膜，晶体可以阻碍剪切带扩展并使其发生偏移进而使非晶合金的塑性提高，但是这种方法显著降低了非晶合金的本质特性(如长程无序性)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法，克服上述现有技术的缺点。本发明方法,其制备的多层膜界面明晰,可以很容易通过控制单层薄膜的厚度来得到塑性提高的多层薄膜，从而为制备力学性能可控的非晶/非晶纳米多层薄膜材料提供可能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法，采用磁控溅射的方法沉积第一非晶层，然后在第一非晶层上再沉积第二非晶层，交替沉积形成非晶/非晶纳米多层薄膜。

进一步的，第一非晶层的材质为Ni₅₀Nb₅₀；第二非晶层的材质为Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄。

进一步的，单层第一非晶层和第二非晶层的厚度均相同，单层非晶层的厚度小于等于100纳米。

进一步的，单层第一非晶层和第二非晶层的厚度均相同，单层非晶层的厚度为5纳米、10纳米、25纳米、50纳米或100纳米。

进一步的，单层第一非晶层和第二非晶层的厚度均相同，单层非晶层的厚度小于或等于5纳米。

进一步的，非晶/非晶纳米多层薄膜的总厚度为1微米。

进一步的，具体包括以下步骤：

1)将单面抛光单晶硅基片清洁干净，然后放入超高真空磁控溅射设备基片台上，准备镀膜；

2)将需要溅射的第一非晶层靶材和第二非晶层靶材安置在靶材座上；

3)硅片溅射沉积时，采用直流和射频电源分别连接对应的靶材，溅射过程中先在硅基体上用直流电源镀一层第一非晶层，以这层第一非晶层作为第二非晶层生长的模板，然后交替沉积第一非晶层和第二非晶层形成多层薄膜，最终达到所需的单层厚度和总厚度。

进一步的，步骤1)中，单面抛光单晶硅基片分别用酒精和丙酮超声清洗15min至洁净。

进一步的，步骤3)中，电源的功率和对应的沉积速率分别为直流电源150W，沉积速率为6.7nm/min；射频电源150W，沉积速率为6.7nm/min。

进一步的，步骤3)中，基片台为常温下进行。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明采用磁控溅射技术，通过Ni₅₀Nb₅₀层和Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄层的交替更迭，制备Ni₅₀Nb₅₀/Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄多层薄膜，并通过沉积时间的控制得到了随单层厚度降低塑性提高的Ni₅₀Nb₅₀/Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄多层薄膜。特别是层厚为5纳米的多层薄膜塑性显著提高。本发明制备的多层薄膜界面明晰,可以很容易通过控制单层薄膜的厚度来提升非晶合金的塑性，从而为制备力学性能可控的非晶/非晶纳米多层薄膜材料提供可能。并且，这种方法操作简单，易于实现。

非晶/非晶纳米多层薄膜是克服非晶合金脆性的新方法。非晶合金表现为宏观脆性的原因是其内部没有可以阻碍剪切带扩展的结构缺陷，非晶/非晶界面不仅可以阻碍剪切带的扩展而且增加了材料的不均匀性进而激发产生多重剪切带，多重剪切带相互作用使塑性提高。非晶/非晶纳米多层薄膜不仅在保持非晶合金本质结构的基础上提高了非晶合金的塑性，而且方法简单易于实现，因此优势明显。

相比于其它克服非晶合金脆性的方法，非晶/非晶多层膜保持了非晶本质结构，可在不损失非晶合金特有的优异性能的基础上克服其脆性，并且方法简单、易于实现。

附图说明

图1为本发明制备的层厚分别为5纳米的Ni₅₀Nb₅₀/Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄多层薄膜的透射电子显微镜照片，分辨率为20nm；

图2为本发明制备的层厚分别为5纳米的Ni₅₀Nb₅₀/Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄多层薄膜的透射电子显微镜照片，分辨率为5nm；

图3为本发明制备的不同单层厚度Ni₅₀Nb₅₀/Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄多层薄膜和单层Ni₅₀Nb₅₀、Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄薄膜压痕周围高度与距离关系图。

具体实施方式

本发明一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法，是在磁控溅射过程中，采用慢速率沉积工艺，通过控制溅射时间来改变Ni₅₀Nb₅₀层和Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄层的单层厚度，得到随单层厚度降低塑性提高的Ni₅₀Nb₅₀/Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄多层膜。通过这种工艺制备的单层厚度为5纳米的多层薄膜其塑性相比于两个单层薄膜来说显著提高。其具体包括以下步骤：

1)将单面抛光单晶硅基片分别用酒精和丙酮超声清洗,经电吹风吹干后,放入超高真空磁控溅射设备基片台上,准备镀膜；在本发明的最佳实施例中，单面抛光单晶硅基片分别用酒精和丙酮超声清洗15分钟，以保证彻底清洗干净。

2)将需要溅射的合金靶材(Ni₅₀Nb₅₀靶和Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄靶)安置在靶材座上,通过调整电源的功率控制靶的溅射速率；采用高纯Ar作为主要离化气体,保证有效的辉光放电过程。在本发明的最佳实施例中，电源的功率和对应的沉积速率分别为：直流电源150W，沉积速率为6.7nm/min；射频电源150W，沉积速率为6.7nm/min。

3)硅片溅射沉积时，采用直流和射频电源分别连接对应的靶材，溅射过程中先在硅基体上用直流电源镀一层Ni₅₀Nb₅₀层，以这层Ni₅₀Nb₅₀层作为Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄层生长的模板，然后交替沉积Ni₅₀Nb₅₀层和Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄层形成多层薄膜，最终达到所需的单层厚度和总厚度。在本发明的最佳实施例中，基片台为常温下进行，不采用加热或者冷却手段。所述的单层厚度指Ni₅₀Nb₅₀层和Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄层均为5纳米、10纳米、25纳米、50纳米和100纳米，总厚度指Ni₅₀Nb₅₀/Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄多层薄膜的整体厚度均为1微米。

综上所述，本发明提供了一种利用磁控溅射技术，通过控制溅射时间来改变Ni₅₀Nb₅₀层和Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄层的单层厚度，得到随单层厚度降低塑性提高的Ni₅₀Nb₅₀/Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄多层膜。本发明采用Ni₅₀Nb₅₀和Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄合金靶作为溅射靶材，其纯度都在99.999％，制备Ni₅₀Nb₅₀/Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄纳米多层薄膜。

以下给出案例为单层厚度为5纳米Ni₅₀Nb₅₀/Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄纳米多层薄膜，以此说明此种塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜材料及其制备工艺的特点。

具体工艺过程：

1)用金刚石刀片将单面抛光的单晶硅片切割成载物台尺寸大小，然后用无水酒精和丙酮分别超声清洗15分钟，经电吹风吹干后，放入超高真空磁控溅射设备基片台上。

2)将Ni₅₀Nb₅₀和Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄靶材安置在靶材座上，直流电源接Ni₅₀Nb₅₀靶材，射频电源接Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄靶材。关闭溅射舱门，开冷却机，先用机械泵预抽真空，当真空度达到10^-1mba时打开分子泵。

3)当本底真空度达到5.4×10^-7mba时，打开氩气瓶阀门，调节氩气流量为3.0ccm，打开脉冲直流电源，调节直流功率为150W，射频功率为150W，准备溅射。

4)Ni₅₀Nb₅₀层的沉积工艺参数：直流脉冲电源功率：150W，附加基片台旋转，沉积温度：室温。在此参数下，沉积速率约为每分钟6.7纳米，沉积速率需在镀膜前精确获得。先沉积为45s，关闭直流电源，接下来准备沉积Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄层。

5)Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄层的沉积工艺参数：射频电源功率：150W，附加基片台旋转，沉积温度：室温。在此参数下,沉积速率约为每分钟6.7纳米，连续沉积45s，关闭电源暂停镀膜，再次进行Ni₅₀Nb₅₀层沉积，沉积工艺参数及时间如步骤4)。如此交替达到所需的层数和比例。注意，镀膜过程中沉积时间要精确控制，直到达预期厚度。

以下结合附图说明单层厚度和塑性的关系：

参见图1和图2，图1和图2是本发明制备的层厚分别为5纳米的Ni₅₀Nb₅₀/Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄多层薄膜的透射电子显微镜照片，可以看到其非晶本质结构和明显清晰的层状结构。

参见图3，图3为本发明制备的不同单层厚度Ni₅₀Nb₅₀/Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄多层薄膜和单层Ni₅₀Nb₅₀、Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄非晶金属薄膜压痕周围高度与距离关系图。压痕周围pile-up的高度和宽度可以用来表征均匀变形能力的大小，即可以用来表征塑性的好坏：pile-up的高度越低、宽度越宽表示塑性越好。从图中可见随着单层厚度的降低，多层膜的pile-up宽度虽没有明显变化，但是高度明显降低。即随着单层厚度的降低，多层膜的变形局域化程度降低更趋于均匀变形塑性提高。当层厚仅为5纳米时，Ni₅₀Nb₅₀/Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄多层膜的pile-up宽度均大于Ni₅₀Nb₅₀和Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄两个单层非晶薄膜且pile-up高度小于两个单层非晶薄膜，这意味着相比于单层非晶薄膜而言，多层膜的压痕下方有更多的体积来承担变形使剪切带均匀的被激活且变形局域化程度降低，塑性显著提高。

综上所述，本发明的方法可以制备出随单层厚度降低塑性提高的Ni₅₀Nb₅₀/Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄多层膜，特别是层厚为5纳米的多层薄膜塑性显著提高，不仅为制备力学性能可控的非晶/非晶纳米多层薄膜材料提供可能也为提高非晶合金的塑性提供了新思路。并且，这种方法操作简单，易于实现。

Claims (10)

1.一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法，其特征在于，采用磁控溅射的方法沉积第一非晶层，然后在第一非晶层上再沉积第二非晶层，交替沉积形成非晶/非晶纳米多层薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法，其特征在于，第一非晶层的材质为Ni₅₀Nb₅₀；第二非晶层的材质为Zr₆₁Cu_17.5Ni₁₀Al_7.5Si₄。

3.根据权利要求1所述的一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法，其特征在于，单层第一非晶层和第二非晶层的厚度均相同，单层非晶层的厚度小于等于100纳米。

4.根据权利要求1所述的一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法，其特征在于，单层第一非晶层和第二非晶层的厚度均相同，单层非晶层的厚度为5纳米、10纳米、25纳米、50纳米或100纳米。

5.根据权利要求1所述的一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法，其特征在于，单层第一非晶层和第二非晶层的厚度均相同，单层非晶层的厚度小于或等于5纳米。

6.根据权利要求1所述的一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法，其特征在于，非晶/非晶纳米多层薄膜的总厚度为1微米。

7.根据权利要求1所述的一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)将单面抛光单晶硅基片清洁干净，然后放入超高真空磁控溅射设备基片台上，准备镀膜；

2)将需要溅射的第一非晶层靶材和第二非晶层靶材安置在靶材座上；

3)硅片溅射沉积时，采用直流和射频电源分别连接对应的靶材，溅射过程中先在硅基体上用直流电源镀一层第一非晶层，以这层第一非晶层作为第二非晶层生长的模板，然后交替沉积第一非晶层和第二非晶层形成多层薄膜，最终达到所需的单层厚度和总厚度。

8.根据权利要求7所述的一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法，其特征在于，步骤1)中，单面抛光单晶硅基片分别用酒精和丙酮超声清洗15分钟至洁净。

9.根据权利要求7所述的一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法，其特征在于，步骤3)中，电源的功率和对应的沉积速率分别为直流电源150W，沉积速率为6.7nm/min；射频电源150W，沉积速率为6.7nm/min。

10.根据权利要求7所述的一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法，其特征在于，步骤3)中，基片台为常温下进行。