CN109988998A - 一种多元高熵合金薄膜的制备方法 - Google Patents

一种多元高熵合金薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多元高熵合金薄膜的制备方法，包括步骤：将硅片基底清洗；将清洗好的硅片基底吹干；将硅片基底置于进样室进行反溅；将硅片基底传入溅射室内，所需金属单质靶材分别置于靶盘上，加热烘烤腔体，抽真空；通入Ar气，将靶材接入电源，设置溅射功率和偏压，调整工作气压，预溅射；打开硅片基底挡板，之后打开自转，开始溅射；溅射结束，依次关闭电源，偏压，停止通入氩气，之后继续抽真空，后取出冷却的硅片基底，基底上既能得到该耐腐蚀高熵合金薄膜。本发明溅射速率稳定，获得厚度均匀的耐腐蚀高熵合金薄膜材料；制备过程中使用单质金属靶材，降低了高熵合金薄膜的制备成本；操作简单，极大推广耐腐蚀高熵合金薄膜的应用。

Description

一种多元高熵合金薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于金属薄膜表面处理技术领域，具体涉及一种多元高熵合金薄膜的制备方法。
背景技术
高熵合金是一种新概念的合金，与传统合金不同的是，高熵合金含有四种及以上组分，且原子比例接近。从热力学角度来说，由于组分较多，混合熵较大，导致其合金结构为稳定的FCC，BCC结构，并未出现人们所预想的很多复杂金属间化合物。人们在研究过程中发现高熵合具有四大核心效应：1.热力学上的高熵效应；2.结构上的晶格畸变效应；3.动力学上的迟滞扩散效应；4.性能上的鸡尾酒效应。由于这些效应，高熵合金具有普遍高的腐蚀电位，在高温环境下的稳定性以及高的硬度。目前高熵合金的主要制备方式是电弧熔炼法，此方法制备的合金容易造成成分偏析，且成本偏高。采用薄膜法容易制得成分均匀的高熵合金膜，易于在腐蚀环境中迅速生成钝化膜，从而具有较好的耐腐蚀性。
目前镀金属薄膜普遍性采用的电镀法，对环境造成巨大污染。而物理气相沉积具有环境友好型，成膜速率高，致密性高，薄膜均匀，薄膜厚度精确调控，以及可批量生产等优点，预计将会应用在更多的领域。
发明内容
为了克服现有高熵合金薄膜制备的局限性，本发明提供了一种多元高熵合金薄膜的制备方法，该方法通过采用物理气相沉积技术，如磁控技术，多弧离子镀技术，以及热蒸镀技术，获得成分均匀的BCC单相固溶体(未检测出FCC结构)。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种多元高熵合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：
1)将单面抛光的硅片清洗；
2)将清洗好的硅片基底吹干，使其表面没有任何水渍；
3)将硅片基底置于进样室进行反溅，进一步去除材料表面杂质，从而提高基底表面质量；
4)将硅片基底传入溅射室内，所需金属单质靶材分别置于靶盘上，加热烘烤腔体，抽真空至4.0×10-4～5.0×10-5Pa；
5)通入Ar气，将靶材接入电源，设置溅射功率和偏压，调整工作气压至4.5×10- 1Pa，预溅射15～20min，用于清理靶材表面的杂质，提高靶材的纯度；
6)打开硅片基底挡板，之后打开自转，开始溅射；
7)溅射结束，依次关闭电源，偏压，停止通入氩气，之后继续抽真空，后取出冷却的硅片基底，基底上既能得到该耐腐蚀高熵合金薄膜。
本发明进一步的改进在于，将单面抛光的硅片基底首先放在丙酮中超声清洗，之后放于乙醇中超声清洗，最后置于去离子水中超声清洗。
本发明进一步的改进在于，步骤4)中所需靶材为四块单质金属靶，纯度为99.99％。
本发明进一步的改进在于，步骤4)中使用加热带烘烤腔体。
本发明进一步的改进在于，步骤5)调整各个单质靶材溅射功率，使最后的薄膜达到所需的成分配比，进一步提高薄膜生长速率。
本发明进一步的改进在于，步骤5)使用偏压为-70V。
本发明进一步的改进在于，步骤5)使用的氩气为含氢量为2％的氩气。
本发明进一步的改进在于，步骤7)中得到的沉积在硅片基底上的四元耐腐蚀高熵合金薄膜厚度在于1.0-2.0μm，其结构为BCC单相固溶体。
本发明进一步的改进在于，步骤7)中得到沉积在硅片基底上的四元耐腐蚀刚上合金薄膜具有良好地耐腐蚀性，以及高达8～10GPa的硬度，折合弹性模量99～139GPa。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明制备NbMoTaTi四元耐腐蚀高熵合金薄膜，采用四靶共溅射的方式，大大降低采用高熵合金单靶的成本，具有操作灵活，溅射功率可变，薄膜成分可随需求变化的优点且薄膜成分均匀解决了电弧熔炼法成份偏析需长时间保温的问题；采用烘烤带可以快速抽真空，提高生产效率，且减少附着在溅射腔室的气体，提高薄膜质量。通过调整溅射时间和功率可以调节薄膜厚度，从而扩大耐腐蚀高熵合金薄膜的应用范围。
附图说明
图1为本发明制备的NbMoTaTi耐腐蚀高熵合金薄膜的截面SEM图；
图2为本发明制备的NbMoTaTi耐腐蚀高熵合金薄膜的表面SEM图；
图3为本发明制备的NbMoTaTi耐腐蚀高熵合金薄膜的XRD图谱；
图4为本发明制备的NbMoTaTi耐腐蚀高熵合金薄膜的TEM图片；
图5为本发明制备的NbMoTaTi耐腐蚀高熵合金薄膜的TEM衍射图片。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。
实施例1
本发明提供的一种多元高熵合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：
将单面抛光的(100)晶向硅片，分别在丙酮，乙醇，去离子水中超声15min，去除表面污渍，之后吹干硅片表面去离子水；将硅片用试样盘夹持后放入送样室，将真空抽至4×10-4Pa后通入氩气流量为25sccm，保持气压为2.0Pa开始用射频电源进行反溅，反溅时间为15min，进一步去除表面的污渍；将反溅后的硅片送入溅射室，将Nb靶，Mo靶，Ta靶，Ti靶，分别放置在靶盘上，将真空抽至4.5×10-4Pa后，通入流量为25sccm的含氢氩气，保持气压在4.5×10-1Pa，将靶材分别接上电源，Nb靶功率为50W，Mo靶功率为50W，Ta靶功率为60W，Ti靶功率为70W，设置偏压为-70V，预溅射十分钟后，目的是清理靶材表面杂质，调高靶材的纯度，之后打开试样盘挡板，开始自转，样品盘自转为30°/s,开始溅射；90min后关闭电源，偏压，停止通入氩气，并继续抽真空，使样品在溅射室冷却30min后取出，基底硅片上得到该四元耐腐蚀高熵合金。得到的沉积在硅片基底的薄膜表面如图2所示岛状结构，厚度为960nm，柱状晶尺寸为20～35nm之间，结构为BCC单相固溶体，其薄膜硬度高达9.7Gpa。
实施例2
本发明提供的一种多元高熵合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：
将单面抛光的(100)晶向硅片，分别在丙酮，乙醇，去离子水中超声15min，去除表面污渍，之后吹干硅片表面去离子水；将硅片用试样盘夹持后放入送样室，将真空抽至8×10-3Pa后通入氩气流量为25sccm，保持气压为2.0Pa开始用射频电源进行反溅，反溅时间为15min，进一步去除表面的污渍；将反溅后的硅片送入溅射室，将Nb靶，Mo靶，Ta靶，Ti靶，分别放置在靶盘上，将真空抽至5.0×10-4Pa后，通入流量为25sccm的含氢氩气，保持气压在4.5×10-1Pa，将靶材分别接上电源，Nb靶功率为50W，Mo靶功率为50W，Ta靶功率为60W，Ti靶功率为100W，设置偏压为-70V，预溅射十分钟后，目的是清理靶材表面杂质，调高靶材的纯度，之后打开试样盘挡板，开始自转，样品盘自转为30°/s,开始溅射；90min后关闭电源，偏压，停止通入氩气，并继续抽真空，使样品在溅射室冷却30min后取出，基底硅片上得到该四元耐腐蚀高熵合金。得到的沉积在硅片基底的薄膜厚度为1.2μm，如图1所示，柱状晶尺寸为20～35nm之间，结构为BCC单相固溶体硬度高达10GPa。
实施例3
本发明提供的一种多元高熵合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：
将单面抛光的(100)晶向硅片，分别在丙酮，乙醇，去离子水中超声15min，去除表面污渍，之后吹干硅片表面去离子水；将硅片用试样盘夹持后放入送样室，将真空抽至6×10-3Pa后通入氩气流量为25sccm，保持气压为2.0Pa开始用射频电源进行反溅，反溅时间为15min，进一步去除表面的污渍；将反溅后的硅片送入溅射室，将Nb靶，Mo靶，Ta靶，Ti靶，分别放置在靶盘上，将真空抽至3.0×10-4Pa后，通入流量为25sccm的含氢氩气，保持气压在4.5×10-1Pa，将靶材分别接上电源，Nb靶功率为50W，Mo靶功率为50W，Ta靶功率为60W，Ti靶功率为100W，设置偏压为-70V，预溅射十分钟后，目的是清理靶材表面杂质，调高靶材的纯度，之后打开试样盘挡板，开始自转，样品盘自转为30°/s,开始溅射；120min后关闭电源，偏压，停止通入氩气，并继续抽真空，使样品在溅射室冷却30min后取出，基底硅片上得到该四元耐腐蚀高熵合金。得到的沉积在硅片基底的薄膜厚度为2.1μm，柱状晶尺寸为40～50nm之间，结构为BCC单相固溶体，图3为其XRD衍射图，图4和图5为透射图，可看出为柱状晶结构。
本发明虽然以上述3实例呈现，然而上述实例并非局限性的。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可以依据本发明的技术实质对以上实施例做出许多可能的变动与修饰。因此凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实例所做的任何简单修改和等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种多元高熵合金薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将单面抛光的硅片清洗；
2)将清洗好的硅片基底吹干，使其表面没有任何水渍；
3)将硅片基底置于进样室进行反溅，进一步去除材料表面杂质，从而提高基底表面质量；
4)将硅片基底传入溅射室内，所需金属单质靶材分别置于靶盘上，加热烘烤腔体，抽真空至4.0×10-4～5.0×10-5Pa；
5)通入Ar气，将靶材接入电源，设置溅射功率和偏压，调整工作气压至4.5×10-1Pa，预溅射15～20min，用于清理靶材表面的杂质，提高靶材的纯度；
6)打开硅片基底挡板，之后打开自转，开始溅射；
7)溅射结束，依次关闭电源，偏压，停止通入氩气，之后继续抽真空，后取出冷却的硅片基底，基底上既能得到该耐腐蚀高熵合金薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种多元高熵合金薄膜的制备方法，其特征在于，将单面抛光的硅片基底首先放在丙酮中超声清洗，之后放于乙醇中超声清洗，最后置于去离子水中超声清洗。
3.根据权利要求1所述的一种多元高熵合金薄膜的制备方法，其特征在于，步骤4)中所需靶材为四块单质金属靶，纯度为99.99％。
4.根据权利要求1所述的一种多元高熵合金薄膜的制备方法，其特征在于，步骤4)中使用加热带烘烤腔体。
5.根据权利要求1所述的一种多元高熵合金薄膜的制备方法，其特征在于，步骤5)调整各个单质靶材溅射功率，使最后的薄膜达到所需的成分配比，进一步提高薄膜生长速率。
6.根据权利要求1所述的一种多元高熵合金薄膜的制备方法，其特征在于，步骤5)使用偏压为-70V。
7.根据权利要求1所述的一种多元高熵合金薄膜的制备方法，其特征在于，步骤5)使用的氩气为含氢量为2％的氩气。
8.根据权利要求1所述的一种多元高熵合金薄膜的制备方法，其特征在于，步骤7)中得到的沉积在硅片基底上的四元耐腐蚀高熵合金薄膜厚度在于1.0-2.0μm，其结构为BCC单相固溶体。
9.根据权利要求1所述的一种多元高熵合金薄膜的制备方法，其特征在于，步骤7)中得到沉积在硅片基底上的四元耐腐蚀刚上合金薄膜具有良好地耐腐蚀性，以及高达8～10GPa的硬度，折合弹性模量99～139GPa。
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