CN108930019A - 一种tsc陶瓷薄膜的制备方法及其产品和应用 - Google Patents

Abstract

一种TSC陶瓷薄膜的制备方法及其产品和应用，属于光电材料技术领域。本发明提出采用了传统的物理气相沉积(PVD)镀膜方式，利用Ti₃SiC₂粉体材料作为靶材制备微纳米厚度的半导体薄膜，制作工艺简单、可靠且成本低，制得薄膜在维持Ti₃SiC₂材料良好力学和摩擦磨损性能之外，兼具透近红外光和适度导电性的双重性能。运用本发明方法制得的Ti₃SiC₂陶瓷薄膜在800～2200nm光谱范围的透过率不低于80％，导电性为50Ω/□～2000Ω/□，基于上述性能，本发明将Ti₃SiC₂材料的应用范围拓宽到光电子技术领域，并为其作为窗口材料用于红外波段光电器件封装提供了理论基础。本发明陶瓷薄膜在光电领域具有良好的工程应用前景。

Description

一种TSC陶瓷薄膜的制备方法及其产品和应用

技术领域

本发明属于光电材料技术领域，特别涉及一种TSC陶瓷薄膜的制备方法及其产品和应用。

背景技术

20世纪60年代，Nowotny等人率先提出了三元层状碳化物/氮化物陶瓷的概念，此后研究人员相继发现了一些具有类似结构的化合物，但在当时这些化合物并未引起人们的足够重视。2000年，Barsoum发表了一篇关于“M_n+1AX_n相”(简称为MAX相)材料的的综述性文章，同时该综述中还介绍了这类陶瓷材料的一系列优点，它们同时具有陶瓷和金属的性能。像陶瓷一样，它们具有高的熔点、高温强度和屈服强度，良好的抗氧化、抗腐蚀性能和抗热震性；像金属一样，它们具有高的导热性和电导率、较高的剪切模量和弹性模量、较低的硬度、很好的机械加工性能、并在高温时具有塑性。另外，由于特殊的层状结构，使其具有较高的自润滑性能和损伤容限。这一系列优异的性能使其具有广阔的应用前景，也因此引起了研究者的广泛关注，研究人员不断揭开MAX相陶瓷的神秘面纱，到目前为止，已发现MAX相陶瓷有近50种化合物。

Ti₃SiC₂是一种三元层状碳化物，也是唯一含Si元素的MAX相，非常具有代表性。Ti₃SiC₂中含有三种键型：金属键、离子键和共价键，而Ti₃SiC₂所具有的特殊性能，即兼具陶瓷和金属的双重性能，便是由于这种特殊的价键性能决定的。Ti₃SiC₂属六方晶系，空间群为D4_6h–P6₃/mmc，格参数为由于Ti₃SiC₂为六方晶体，其热膨胀系数表现出各向异性。一般陶瓷可以承受200～500℃的温差，然而Ti₃SiC₂对热震不敏感，具有良好的抗热震性。Ti₃SiC₂有很好的抗氧化性能，其熔点高达3000℃，同时具有良好的热稳定性。Ti₃SiC₂是电的良导体，25℃时，其电导率为4.5×10⁶·ohm^-1m^-1，约为纯金属钛的电导率(2.3×10⁶·ohm^-1m^-1)的两倍。与金属类似，Ti₃SiC₂的电导率随温度的上升而有所降低，但在800℃时Ti₃SiC₂电导率仍可达1.1×10⁶·ohm^-1m^-1，相应的Ti₃SiC₂电阻率是随着温度升高而升高，而使得Ti₃SiC₂具有高电导率、低电阻率的特性归因于其平行的Si平面层上的脱位的自由电子。Ti₃SiC₂的热导率较高且随着温度的上升有所降低，因此它相较金属钛而言是更好的热导体，而使得Ti₃SiC₂具有较高热导率的特性归因于Ti₃SiC₂中Si元素以及缺陷的协同作用使得Ti₃SiC₂内声子扩散加速。与其它的碳化物不同，Ti₃SiC₂损伤容限极高且相对较软，因此Ti₃SiC₂是具有耐损伤性的陶瓷材料。最重要的是，Ti₃SiC₂真正优于其它高温合金和结构陶瓷的优点在于它的可加工性，而传统陶瓷并不具备良好的加工性能。

Ti₃SiC₂MAX相材料被称为金属陶瓷，同时具备陶瓷和金属的优良性质。MAX相材料既有块材，也有薄膜，块材的制备和应用已经较为成熟。现有技术中通常采用自蔓延高温法、热等静压法、无压固相反应烧结法、放电等离子烧结法、微波烧结法等通过烧结手段来制备块体。而作为薄膜，Ti₃SiC₂MAX相材料其实具有更加广阔的应用前景，由于Ti₃SiC₂具有非常优异的导电性，使其有望替换传统透明导电薄膜——氧化铟锡(ITO)，广泛应用于光伏液晶等光电产业。ITO薄膜对于可见光的透射率可达95％以上，对紫外线吸收率可达85％以上，但是对红外线的透过率很低，最高仅为20％左右。并且，ITO材料本身存在一定缺陷，比如铟(In)被归为稀土金属，是一种贵金属；ITO有很强的吸水性，容易吸收空气中的水份和二氧化碳并产生化学反应而变质，俗称“霉变”，因此存放时要特别注意防潮，而且在实际使用时通常需要设置防水层；ITO层在活性正价离子溶液中易产生离子置换反应，形成其它导电和透过率不佳的反应物质，在加工过程中不能长时间放在活性正价离子溶液中。

目前对Ti₃SiC₂陶瓷的研究方向只局限于制备方法以及其摩擦学方面的研究，未见其在光电领域方面的研究。

发明内容

鉴于上文所述，本发明提供一种TSC陶瓷薄膜的制备方法，采用Ti₃SiC₂多晶粉末作为靶材，采用直流溅射或者射频溅射法成膜，所得薄膜产品在近红外波段具有良好透过率和导电性，可应用于光电子设备中。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种TSC陶瓷薄膜的制备方法，其特征在于，包括：将Ti₃SiC₂材料作为靶材，采用氩气作为工作气体，采用直流溅射成膜工艺或者射频溅射成膜工艺制备得到TSC陶瓷薄膜；所述直流溅射成膜工艺的参数如下：工作电流范围为0.20～0.35A，工作电压范围为360～475V，氩气压强为1.5Pa～5Pa，氩气流量为25～50sccm；所述射频溅射成膜工艺的参数如下：射频源功率为40W～200W，氩气压强为0.5Pa～2.5Pa，氩气流量为20sccm～40sccm，衬底加热温度25℃～200℃。

进一步地，所述靶材的制备方法具体是将Ti₃SiC₂粉体溶解在水中，然后置于导电金属托盘中经干燥烘干处理，得到Ti₃SiC₂靶材。

根据具体实施例，所述导电金属托盘的直径为50mm～100mm，厚度为3mm～4mm。

进一步地，所述衬底优选为石英衬底和玻璃衬底。

本发明提供一种TSC陶瓷薄膜，根据以上制备方法得到的TSC陶瓷薄膜，其特征在于，所述TSC陶瓷薄膜在800～2200nm光谱范围的透过率不低于80％，导电性为50Ω/□～2000Ω/□。TSC陶瓷薄膜的近红外透过率以及薄膜导电性是基于K9玻璃和石英衬底测试得到的，也可以采用高纯、高阻值晶体硅衬底进行近红外透过率测试。

在上述技术方案的基础上，通过控制溅射时间使得薄膜的厚度为20nm～150nm。

本发明提供一种TSC陶瓷薄膜用于光电子设备的应用。

相比现有技术，本发明的有益效果具体如下：

1、本发明创新地提出用Ti₃SiC₂粉体材料制备微纳米厚度的半导体薄膜，采用了传统的物理气相沉积(PVD)镀膜方式，制作工艺简单、可靠且成本低，制得半导体薄膜在维持Ti₃SiC₂材料良好力学和摩擦磨损性能之外，还具有透近红外光和适度导电性的双重性能，明显拓宽了Ti₃SiC₂材料的应用范围。

2、运用本发明的制备方法得到的TSC陶瓷薄膜具有优异的近红外透过率和导电性，在光电领域具有良好的工程应用前景，并为其在未来作为红外波段光电封装材料提供了理论基础。

附图说明

图1是本发明具体实施例提供的溅射所用的Ti₃SiC₂靶材图；

图2是本发明具体实施例提供的在衬底上镀膜时间为3分钟所得样品的透过率-波长图；

图3是本发明具体实施例提供的样品的方阻图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，并参照附图，对本发明进行详细说明：

实施例：

本发明应采用玻璃或者石英等任何合适的透明基片作为衬底，本实施例采用K9基片和石英基片作为衬底，采用氩气作为工作气体，基于直流溅射法分别在其上进行薄膜镀制，制备得到一种具有高近红外透光性及导电性的TSC陶瓷薄膜，具体操作如下：

步骤1：靶材制备：

将Ti₃SiC₂粉体加入到去离子水中，搅拌均匀，得到Ti₃SiC₂分散液，然后将Ti₃SiC₂分散液放入直径90mm，厚3-4mm的铝托盘中，再将铝托盘置于120℃真空干燥箱中烘干24小时取出，基于上述操作制得直流溅射靶材，靶材在不使用时应当抽真空密封放置，靶材请参见附图1；

步骤2：清洗衬底：

依次使用去污剂、丙酮、酒精和去离子水进行超声清洗，每种溶剂下超声清洗15分钟；

步骤3：干燥：

将经步骤2清洗干净的衬底采用纯净氮气吹干后备用；

步骤4：前准备工作：

打开空压机、冷却水系统和真空溅射机，进行泵启动；

步骤5：装样：

泵启动完毕后，自动放气，打开腔体，将经步骤1和2处理制得的靶材和衬底放入真空溅射镀膜设备中；

步骤6：抽真空：

关闭腔体，自动抽真空达到5.5×10^-4Pa，关闭抽速阀，设定射频源频率为13.56MHz，氩气气体流量为25sccm，电流为0.3A，待靶材起辉，预溅射30分钟，再溅射时间3分钟；

步骤7：

通过重复以上操作，设定不同的溅射时间，制备薄膜样品；

步骤8：停机工作：

溅射完毕，切断氩气和电流，打开抽速阀，自动放气从腔体取出制得的TSC陶瓷薄膜样品和靶材，关闭腔体，自动抽气到一定真空度，关闭溅射机、冷却水系统、空压机。

本实施例基于K9玻璃和石英衬底测试镀膜时间为3分钟所得薄膜样品的透过率，如附图2所示，以及不同溅射时间制得薄膜样品的方阻，如图3所示。从图2中可看出，本发明TSC陶瓷薄膜在800～2200nm光谱范围的透过率不低于80％。如图3中可看出，本发明TSC陶瓷薄膜的导电性为50Ω/□～2000Ω/□。需要特别说明的是，测试TSC陶瓷薄膜的近红外透过率以及薄膜导电性不限制基于K9玻璃和石英衬底测试得到的，也可以采用高纯、高阻值晶体硅衬底进行近红外透过率测试。

基于上述性能可看出，本发明将Ti₃SiC₂材料的应用范围拓宽到光电子技术领域，并为其作为窗口材料用于红外波段光电器件封装提供了理论基础。本发明TSC陶瓷薄膜在光电领域具有良好的工程应用前景。

以上结合附图对本发明的具体实施进行了详细阐述，上述实施方式仅仅是示意性的，而非限制性的，本发明并不局限于上述具体实施方式。本领域普通技术人员在本发明的启示下，所做出不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的诸多变形均应属于本发明的保护。

Claims (6)

1.一种TSC陶瓷薄膜的制备方法，其特征在于，包括：将Ti₃SiC₂材料作为靶材，采用氩气作为工作气体，采用直流溅射成膜工艺或者射频溅射成膜工艺制备得到TSC陶瓷薄膜；所述直流溅射成膜工艺的参数如下：工作电流范围为0.20～0.35A，工作电压范围为360～475V，氩气压强为1.5Pa～5Pa，氩气流量为25～50sccm；所述射频溅射成膜工艺的参数如下：射频源功率为40W～200W，氩气压强为0.5Pa～2.5Pa，氩气流量为20sccm～40sccm，衬底加热温度25℃～200℃。

2.根据权利要求1所述的一种TSC陶瓷薄膜的制备方法，其特征在于，所述靶材的制备方法具体是将Ti₃SiC₂粉体溶解在水中，然后置于导电金属托盘中经干燥烘干处理，得到Ti₃SiC₂靶材。

3.根据权利要求1所述的一种TSC陶瓷薄膜的制备方法，其特征在于，所述衬底为石英衬底和玻璃衬底。

4.一种TSC陶瓷薄膜，其特征在于，根据权利要求1或2任一项制备方法制备得到，所述TSC陶瓷薄膜在800～2200nm光谱范围的透过率不低于80％，导电性为50Ω/□～2000Ω/□。

5.根据权利要求4所述一种TSC陶瓷薄膜，其特征在于，薄膜的厚度为20nm～150nm。

6.一种根据权利要求4或5所述TSC陶瓷薄膜在光电子设备中的应用。