CN109811305B - 一种近零膨胀薄膜材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近零膨胀薄膜材料，其分子式为Mn3InC1+x，由锰、锡、碳三种元素组成，其原子比基本为Mn:In:C＝3:1:(1+x),其中(x＝‑0.2～0.1),其晶体结构为钙钛矿结构。本发明所述薄膜材料在220K‑330K较宽温度范围内具有近零热膨胀性能，该材料负热膨胀性能是各向同性的，具有良好热导性，结构稳定，该材料电阻率为3.45×10‑7Ω·m，在合金材料的电阻率范围，且原料便宜，制备相对简单，在制备与使用时都非常环保。

Description

一种近零膨胀薄膜材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种近零膨胀薄膜材料及其制备方法，属于薄膜材料制备 技术领域。

背景技术

通常固体材料均具有热胀冷缩的特性，然而在一些特殊使用情况下希 望材料具有负膨胀或零膨胀的特殊物理性能。因此，负膨胀材料是当前材 料科学研究的热点课题之一。所谓负膨胀性能是指在某一温度范围内，随 着温度的升高，材料的长度或体积减小。零膨胀材料是指在某一温度范围 内，承受着温度的变化，材料的长度或体积不变或几乎不变。因为这类材 料能够用于调节某些关键部件的膨胀系数，所以具有很高的研究与实际应用价值。随着科学技术的发展，具有此性质的材料将广泛用于精密机械和 精密光学部件领域，如：航空航天、IC芯片、微电子器件、封装材料、光 信息传播器件及光纤通讯等领域。目前，已报道的此类材料存在难以克服 的弱点，如：ZrW2O8材料，不导电，制备成本高，机械强度低等，还有因 瓦合金存在各向异性，成本高，易氧化等问题，应用受到了限制。且随着 现代精密科技的发展，许多器件需要薄膜材料，因此负膨胀薄膜材料对于 精密器件的热稳定性尤为重要。

类钙钛矿结构锰碳化合物是一种新型的具有奇异热膨胀性能的材料， 其分子式为Mn3XC(X为In,Zn,Ga,Zn,Ni等元素)，在晶体结构上，Mn原子 位于立方晶胞的面心，C原子位于体心位置，X原子位顶角位置，因为钙钛 矿化合物氧原子在面心位置，而体心是金属元素，所以人们又称此类物质 为“反钙钛矿结构”。除了负热膨胀性能以外，此类材料在磁性、电输运和 磁阻等许多方面也具有奇特的表现，已引起学术界和工业界的关注。通过 对该类材料的研究，发现部分类钙钛矿结构材料，随着温度升高，在某一 温度区间，其晶格常数随温度负增长，或变化很小，且部分反钙钛矿材料 具有良好的导电和导热性能，将其制备成薄膜材料，可作为热稳定性良好 的导电导热材料。这类材料由单一物质构成，易于制备，性能稳定，对高 精度仪器设备的开发具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于制备一种具有近零膨胀系数的类钙钛矿结构的薄膜 材料，该材料可以用于微电子器件，光纤通讯、航空航天、高精度光学元 件等领域，满足实际使用要求。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种近零膨胀薄膜材料，其分子式为Mn3InC1+x，由锰、锡、碳三种 元素组成，其原子比基本为Mn:In:C＝3:1:(1+x),其中(x＝-0.2～0.1),其晶体 结构为钙钛矿结构。

作为上述技术方案的改进，由所述锰、锡、碳三种元素组成的为三元 化合物(Mn3InCx)薄膜材料，其在220K-330K的温度区间，晶格常数随 着温度升高变化很小，为负近零膨胀薄膜材料。

作为上述技术方案的改进，近零膨胀现象为各向同性，温度区间达到 110K。

作为上述技术方案的改进，所述近零膨胀薄膜材料的制备方法包括以 下步骤：

(1)按预定化学计量比(根据不同元素的溅射率不同，靶样品的成分 摩尔比约为Mn:In:C＝1:1:5)称取一定量的锰粉、铟粉和石墨粉，粉末纯度 均为3N或以上；

(2)将三种粉末在球磨机中研磨1小时以上，充分混合均匀；

(3)将混合均匀的粉末取适量，使用适当尺寸的不锈钢模具和压片机 将粉末压制成圆饼状，压力为20MPa；

(4)将压制成圆饼状的样品装入真空石英管式炉中，抽真空达到 10-4Pa时，加热至500℃，保温8小时，然后随炉冷却；

(5)将制备好的圆饼状样品作为靶材，应用磁控溅射法制备薄膜；其 中，溅射主要工艺参数为：基片温度573K，氩气溅射气压0.5帕，直流溅 射功率100W，溅射时间根据对薄膜厚度要求来设定；

(6)将镀好的薄膜进行热处理，应用真空管式炉(真空度在10-4Pa 在上)在600℃保温4小时，随炉冷却；

(7)测量薄膜的厚度，电阻率，热膨胀系数。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

(1)该薄膜材料在220K-330K较宽温度范围内具有近零热膨胀性能。

(2)该材料负热膨胀性能是各向同性的，具有良好热导性，结构稳定。

(3)该材料电阻率为3.45×10-7Ω·m，在合金材料的电阻率范围。

(4)原料便宜，制备相对简单，在制备与使用时都非常环保。

附图说明

图1为本发明所述Mn3InC1+x(x＝0.1)化合物薄膜XRD图谱；

图2为本发明所述Mn3InC1+x(x＝0.1)化合物薄膜晶格常数随温度的 变化坐标图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

实施例：本发明所述近零膨胀薄膜材料，其分子式为Mn3InC1+x，由 锰、锡、碳三种元素组成，其原子比基本为Mn:In:C＝3:1:(1+x)，其中 (x＝-0.2～0.1)，其晶体结构通过分析为钙钛矿结构，如图1所示。

本发明中的锰锡碳三元化合物(Mn3InCx)薄膜材料，在220K-330K 的温度区间，晶格常数随着温度升高变化很小，为负近零膨胀薄膜材料， 如图2所示。

本发明所述近零膨胀现象为各向同性，温度区间达到110K。

本发明所述近零膨胀Mn3InCx薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按预定化学计量比(根据不同元素的溅射率不同，靶样品的成分 摩尔比约为Mn:In:C＝1:1:5)称取一定量的锰粉、铟粉和石墨粉，粉末纯度 均为3N或以上；

(2)将三种粉末在球磨机中研磨1小时以上，充分混合均匀；

(3)将混合均匀的粉末取适量，使用适当尺寸的不锈钢模具和压片机 将粉末压制成圆饼状，压力为20MPa；

(4)将压制成圆饼状的样品装入真空石英管式炉中，抽真空达到 10-4Pa时，加热至500℃，保温8小时。然后随炉冷却；

(5)将制备好的圆饼状样品作为靶材，应用磁控溅射法制备薄膜。溅 射主要工艺参数为：基片温度573K，氩气溅射气压0.5帕，直流溅射功率 100W。溅射时间根据对薄膜厚度要求来设定；

(6)将镀好的薄膜进行热处理，应用真空管式炉(真空度在10-4Pa 在上)在600℃保温4小时，随炉冷却；

(7)测量薄膜的厚度，电阻率，热膨胀系数。

本发明具有如下优点：

(1)该薄膜材料在220K-330K较宽温度范围内具有近零热膨胀性能；

(2)该材料的负热膨胀性能是各向同性的，且结构稳定；

(3)该材料电阻率为3.45×10-7Ω·m，在合金材料的电阻率范围；

(4)原料便宜，制备相对简单，在制备与使用时都非常环保。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本 发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当 视为属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种近零膨胀薄膜材料，其特征在于：其分子式为Mn3InC1+x，由锰、锡、碳三种元素组成，其x取值范围：-0.2～0.1，其原子比为Mn:In:C=3: 1: (1+ x) ,其晶体结构为钙钛矿结构；由所述锰、锡、碳三种元素组成的为三元化合物（Mn₃InC_1+x）薄膜材料，其在220K-330K的温度区间，晶格常数随着温度升高变化很小，为负近零膨胀薄膜材料；近零膨胀现象为各向同性，温度区间达到110K。

2.根据权利要求1所述的一种近零膨胀薄膜材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）按预定化学计量比，具体为根据不同元素的溅射率不同，靶样品的成分摩尔比为Mn:In:C=1:1:5，称取一定量的锰粉、铟粉和石墨粉，粉末纯度均为3N或以上；

（2）将三种粉末在球磨机中研磨1小时以上，充分混合均匀；

（3）将混合均匀的粉末取适量，使用适当尺寸的不锈钢模具和压片机将粉末压制成圆饼状，压力为20MPa；

（4）将压制成圆饼状的样品装入真空石英管式炉中，抽真空达到10^-4Pa时，加热至500℃，保温8小时，然后随炉冷却；

（5）将制备好的圆饼状样品作为靶材，应用磁控溅射法制备薄膜；其中，溅射主要工艺参数为：基片温度573K，氩气溅射气压0.5帕，直流溅射功率100W，溅射时间根据对薄膜厚度要求来设定；

（6）将镀好的薄膜进行热处理，应用真空管式炉，真空度在10^-4Pa在上，在600℃保温4小时，随炉冷却；

（7）测量薄膜的厚度，电阻率，热膨胀系数。

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