CN110106490B - 一种耐高温高熵合金NbMoTaWV薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种耐高温高熵合金NbMoTaWV薄膜及其制备方法，属于高熵合金、耐高温技术领域。这种薄膜具有如下通式：NbMoTaWV x ，x=0～2，Nb:Mo:Ta:W:V接近1:1:1:1:x；呈纳米柱状晶形态，单相BCC结构。使用射频磁控溅射法制备，可获得均匀致密、表面平整的薄膜。通过改变V元素含量调整薄膜的性能，其中电阻率不但可以在45～100.0
Figure 497025DEST_PATH_IMAGE001
区间连续变化，而且具有优异的稳定性，在室温到600℃范围能保持恒定；硬度在7～15Gpa区间连续变化。该薄膜耐高温性能优异，且其性能可调范围大，拓宽了薄膜的应用领域，可应用于微电子器件、耐高温材料以及高硬耐磨等领域。

Description

一种耐高温高熵合金NbMoTaWV薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐高温高熵合金NbMoTaWV薄膜及其制备方法，属于高熵合金、耐高温技术领域。
背景技术
20世纪九十年代提出的高熵合金相对于传统合金存在以下优点：一是高熵合金中每种元素均为主要元素，原子百分比可以均匀分布，其合金的性质由其组成元素共同决定；二是高熵中的多种元素混合会产生不同程度的高熵效应，致使合金倾向于生成结构单一的固溶体，大大减少产生金属间化合物的可能，性能更为优异。三是高熵合金结构和性能对元素含量的改变有较大的敏感性，可通过小范围改变元素含量而有效地调节合金的性能。
难熔高熵合金因大多数组成元素为高熔点元素，表现出优异的高温性能，是非常有潜力的高温合金之一。目前难熔高熵合金制备方法主要有真空熔炼和粉末冶金技术等，但熔炼技术对温度要求较高，且制备的合金内部内应力较大，成分偏析严重；粉末冶金技术要求高压压制、高温烧结，烧结温度高达1000℃左右，对压力以温度要求较高，且模具设计周期长，所需成本高。因此，块体难熔高熵合金的制备面临本质困难。
磁控溅射技术作为一种成熟的镀膜技术得到了广泛应用。相比其它镀膜技术，它有以下优点：①具有高速低温特点，镀膜效率较高；②薄膜溅射率可以根据入射电压和Ar气流通量来调节，具有可重复性和可控性等特点；③设备拥有微机控制的样品转盘，所制得的薄膜纯度高、致密均匀、附着性好；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
使用具有一定配比的合金贴片复合靶溅射，可以得到具有相近配比的合金薄膜。磁控溅射主要包括直流和射频磁控溅射两种，直流磁控溅射在反应溅射沉积中通常易出现“靶中毒”、“放电打弧”等现象，导致溅射过程难以控制，薄膜易出现致密性差以及不均匀等问题。而射频磁控溅射则可防止此类问题的出现，并具有溅射速率快、沉积速率高以及镀膜均匀等优点。
本发明要解决的技术问题是：为解决难熔高熵合金传统制备方法中制备温度高、块体材料应力大以及成本高等问题。在低温条件下用射频磁控溅射技术制备一种性能可调、致密均匀的耐高温NbMoTaWV薄膜。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种耐高温高熵合金NbMoTaWV薄膜及其制备方法，使用射频磁控溅射技术，在单晶硅基体上通过调节V元素的含量获得性能可调节的耐高温高熵合金NbMoTaWV薄膜。
本发明采用的技术方案是：一种耐高温高熵合金NbMoTaWV薄膜，耐高温高熵合金薄膜具有如下通式：NbMoTaWV x ，x=0～2，Nb:Mo:Ta:W:V接近1:1:1:1: x；呈纳米柱状晶形态，单相BCC结构；该耐高温高熵合金薄膜使用射频磁控溅射技术制备，其电阻率在45～100.0
Figure 129010DEST_PATH_IMAGE002
区间连续变化，硬度在7～15Gpa区间连续变化。
所述的一种耐高温高熵合金NbMoTaWV薄膜的制备方法，采用的具体步骤如下：
（一）制备合金溅射靶材
选用纯度均不低于99.9%的纯金属组元制备高纯度合金靶材，用以下两种方式：一是将NbMoTaWV五种金属组元直接熔炼成合金靶，靶材金属组元的配比可调；二是制备组合靶，先将NbMoTaW四种组成元素熔炼成原子百分比为1:1:1:1的合金靶，再将V片粘贴在四元合金靶的主溅射区，制备成NbMoTaWV五元组合合金靶；
（二）制备耐高温高熵合金NbMoTaWV薄膜
清洗基片：选用单晶Si基片，依次经酒精、乙醇和去离子水超声清洗，各10分钟，然后将单晶硅片放入5％的氢氟酸溶液中腐蚀2~3分钟，再用去离子水冲洗干净，用N2吹干放入真空室；
磁控溅射制备薄膜：将真空抽至3.0×10-4Pa以下后开始工作，首先充入高纯氩气至气压稳定，随后设置相应设备参数：电源类型选用射频电源、工作气压为1.5Pa、溅射功率为100W，靶基距为8~12cm；设置完毕后起辉，设定溅射时间进行溅射；溅射完毕后，设备冷却30min后取出薄膜样品。
所述薄膜用于微电子器件材料、耐高温材料以及高硬耐磨材料。
采用上述技术方案制备的耐高温NbMoTaWV高熵合金薄膜，呈纳米柱状晶形态，单相BCC结构。薄膜的V元素含量可通过控制添加V片的数量进行调节，使用射频磁控溅射技术，薄膜制备简便，成分易调控。
本发明的有益效果是：这种耐高温NbMoTaWV高熵合金薄膜可通过调整V元素含量来控制其性能的变化。射频磁控溅射法制备薄膜过程简易，获得的薄膜均匀致密、表面平整，薄膜成分易调控，从而可轻易调整硬度、电阻率等性能，拓宽了薄膜的应用领域，可应用于微电子器件、耐高温材料以及高硬耐磨等领域。
此外，该薄膜在以下两方面具有明显优势：首先在电学性能方面，电阻率稳定性很好，可在600℃下保持稳定；阻值变化范围大且可调节，可以针对不同应用材料调整其电阻率。其次在机械性能方面，难熔高熵合金膜在硬度、化学稳定性等方面性能优异。可应用在耐高温以及高硬耐磨等领域。
附图说明
图1是NbMoTaWV0.62高熵合金薄膜的电阻率-温度关系曲线。
图2是NbMoTaWV1.51高熵合金薄膜的电阻率-温度关系曲线。
图中：横坐标是温度，单位为K，纵坐标是电阻率，由图可知本发明制备的难熔高熵合金薄膜NbMoTaWV0.62和NbMoTaWV1.51均具有优异耐高温性能。
具体实施方式
下面结合技术方案详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1：射频磁控溅射方法制备NbMoTaWV0.62薄膜
（一）制备合金溅射靶材
制备合金靶：按照Nb: Mo: Ta:W原子百分比1:1:1:1称取各金属组元质量熔炼成靶材，纯度为99.9%；将切好的Ф8mmV片均匀粘贴到所述四元靶材主溅射区制备成五元组合合金靶；
（二）制备耐高温NbMoTaWV高熵合金薄膜
清洗基片：选用单晶Si基片，依次经酒精、乙醇和去离子水超声清洗（各10分钟），然后将单晶硅片放入5％的氢氟酸溶液中腐蚀2~3分钟，再用去离子水冲洗干净，用N2吹干放入真空室；
磁控溅射制备薄膜：抽真空至3.0×10-4 Pa以下，充入高纯氩气至气压稳定，选用射频电源，工作气压为1.5Pa，溅射功率为100W，靶基距为8~12cm，起辉后，进行预溅射40min，预溅射完成后，进行正式溅射90min。溅射完毕后，设备冷却30min后可取出薄膜样品。
（三）分析
采用日本岛津公司的EPMA-1600电子探针分析仪测定薄膜成分，为NbMoTaWV0.62，膜厚由扫描电子显微镜截面分析得出，为480nm。硬度由MTS XP纳米压痕仪进行测试，为11.56Gpa。薄膜室温电阻率由四探针进行测试，为60.14
Figure 266730DEST_PATH_IMAGE002
。高温电阻率由两端法测定，如图1所示，其电阻率可在室温到600℃范围能保持恒定。
（四）应用
这种耐高温高熵合金NbMoTaWV薄膜可用于微电子器件材料、耐高温材料以及高硬耐磨材料。
实施例2：磁控溅射方法制备NbMoTaW1.19V1.51薄膜
制备过程与实施例1相同，仅增加V片数量，薄膜表征方法与实施例1相同。获得薄膜成分为NbMoTaWV1.51，膜厚为460nm，硬度为11.20Gpa，室温电阻率为80.05
Figure 604302DEST_PATH_IMAGE002
。图2所示为此成分下的电阻率-温度曲线，同样电阻率在室温到600℃范围能保持恒定，表现了薄膜优异的耐高温性能。这种耐高温高熵合金NbMoTaWV薄膜可用于微电子器件材料、耐高温材料以及高硬耐磨材料。

Claims (3)

1.一种耐高温高熵合金NbMoTaWV薄膜，其特征是：耐高温高熵合金薄膜具有如下通式：NbMoTaWV x ，0＜x≤2，Nb:Mo:Ta:W:V接近1:1:1:1: x；呈纳米柱状晶形态，单相BCC结构；该耐高温高熵合金薄膜使用射频磁控溅射技术制备，将真空抽至3.0×10-4Pa以下充入高纯氩气至气压稳定，设置电源类型为射频电源、工作气压为1.5Pa、溅射功率为100W，靶基距为8~12cm；该薄膜电阻率在45～100.0
Figure DEST_PATH_IMAGE001
区间连续变化，硬度在7～15Gpa区间连续变化。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温高熵合金NbMoTaWV薄膜的制备方法，其特征是：采用的具体步骤如下：
（一）制备合金溅射靶材
选用纯度均不低于99.9%的纯金属组元制备高纯度合金靶材，用以下两种方式：一是将NbMoTaWV五种金属组元直接熔炼成合金靶，靶材金属组元的配比可调；二是制备组合靶，先将NbMoTaW四种组成元素熔炼成原子百分比为1:1:1:1的合金靶，再将V片粘贴在四元合金靶的主溅射区，制备成NbMoTaWV五元组合合金靶；
（二）制备耐高温高熵合金NbMoTaWV薄膜
清洗基片：选用单晶Si基片，依次经酒精、乙醇和去离子水超声清洗，各10分钟，然后将单晶硅片放入5％的氢氟酸溶液中腐蚀2~3分钟，再用去离子水冲洗干净，用N2吹干放入真空室；
磁控溅射制备薄膜：将真空抽至3.0×10-4Pa以下后开始工作，首先充入高纯氩气至气压稳定，随后设置相应设备参数：电源类型选用射频电源、工作气压为1.5Pa、溅射功率为100W，靶基距为8~12cm；设置完毕后起辉，设定溅射时间进行溅射；溅射完毕后，设备冷却30min后取出薄膜样品。
3.根据权利要求1所述的耐高温高熵合金NbMoTaWV薄膜的应用，其特征在于：所述薄膜用于微电子器件材料、耐高温材料以及高硬耐磨材料。
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