CN111020503A - 蒙脱土在磁控溅射靶材中的应用、得到的蒙脱土薄膜及应用 - Google Patents

Abstract

蒙脱土在磁控溅射靶材中的应用、得到的蒙脱土薄膜及应用。本发明将蒙脱土以特定的形式作为靶材应用于磁控溅射技术中。本发明首先通过将蒙脱土与无水酒精混合制备悬浮液，将悬浮液涂覆在模具的各个表面的方式，防止热压时产生粘模的现象，保证得到的靶材具有良好的表面平整度；然后在进行烧结的过程中，本发明采用在特定的真空度和压力下，逐步升温，阶段性保温的方法，一方面，保证蒙脱土中组织结构的均匀性，提高蒙脱土的密度和纯度，降低蒙脱土内部的孔隙率，另一方面，能够获得具有一定取向的蒙脱土结晶体。本发明提供的蒙脱土薄膜的制备方法，以上述高密度蒙脱土为靶材，通过磁控溅射技术成膜，然后进行退火处理得到蒙脱土薄膜，得到的蒙脱土薄膜结构均匀、机械性能良好、介电性能优良。

Description

蒙脱土在磁控溅射靶材中的应用、得到的蒙脱土薄膜及应用

技术领域

本发明属于磁控溅射靶材技术领域，具体涉及蒙脱土在磁控溅射靶材中的应用、基于磁控溅射的蒙脱土薄膜的制备方法、得到的蒙脱土薄膜及应用。

背景技术

蒙脱土是一种典型的层状硅酸盐非金属纳米矿物。由于其具有分散性、膨胀性、吸水性和价格低廉等特性而被广泛应用。蒙脱土的应用领域非常广泛，特别是通过无机和有机改性使其富有了许多独特的性能，应用领域更进一步扩大，被誉为“万能材料”，广泛用于有毒物的吸附剂、催化剂、涂层剂，尤其是聚合物-层状纳米复合材料，使聚合物力学性能、阻燃性能、热稳定性能的提高，应用前景广阔。目前蒙脱土常用于添加入聚合材料中，但是由于蒙脱土与聚合材料之间的相容性差，制备出的复合材料通常难以达到实际应用的要求。因此，现有技术中，通常采用改性的方法对蒙脱土进行改性和优化，从而与聚合材料进行复合。基于此，蒙脱土要制备成为膜材，通常需要与聚合材料进行复合，并不能单独制备成为薄膜。

磁控溅射技术自从打实验室进入到工业化生产之后，不断发展，取得了突飞猛进的发展，目前磁控溅射技术及薄膜制备是新材料领域的一大热点。在磁控溅射技术领域，靶材是基本耗材，不仅使用量大，而且靶材质量的好坏对薄膜的性能起着至关重要的决定作用，靶材是磁控溅射过程的关键材料。靶材因其成分、形状和应用领域不同，分为多种。根据材料成分的不同，靶材可分为金属靶材、合金靶材、无机非金属靶材和复合靶材等。其中无机非金属靶材又可分为氧化物、硅化物、氮化物和氟化物等不同种类靶材。

目前，现有技术中并没有将蒙脱土单独制备成为膜材使用的，因此极大的限制了蒙脱土的应用领域。

发明内容

为了扩大蒙脱土的应用领域，本发明提供一种蒙脱土靶材，并且提供一种采用磁控溅射技术将蒙脱土制备成薄膜的方法，通过磁控溅射技术，蒙脱土薄膜能够单独被制备成为膜材，作为电学材料或电容器薄膜应用。

本发明的目的是提供蒙脱土靶材在磁控溅射靶材中的应用。

本发明的另一目的是提供以上述蒙脱土靶材为靶材利用磁控溅射技术制备蒙脱土薄膜的方法。

本发明的再一目的是提供一种利用上述方法得到蒙脱土薄膜。

本发明的再一目的是提供一种上述蒙脱土薄膜的应用。

根据本发明的目的，本发明提供一种蒙脱土靶材，所述蒙脱土靶材由以下方法制备得到：

(1)称取蒙脱土粉末，加入到无水酒精中，得到悬浮液；

(2)将步骤(1)得到的悬浮液涂覆在模具的内壁、上压头四周及接触面、下压头四周及接触面、衬套的内外表面、上下垫片的全部表面；

(3)将模套衬套装配在一起，将下压头装入模腔，放入下保护垫片，然后取蒙脱土粉末，装入模腔中，表面刮平，放入上保护垫片，然后插入上压头；

(4)将步骤(3)装好的模具放入加热炉中，对加热炉进行抽真空处理，保持加热炉的真空度在5×10^-3Pa以下，然后通入惰性气体并升温，首先升温至380-420℃，保温8-12min，然后继续升温至480-520℃，保温8-12min，最后升温至600-700℃，对模腔中的蒙脱土粉末进行加压至15-30MPa，保温40-50min，冷却，切割，得到所述蒙脱土靶材。

蒙脱土是一类由纳米厚度的表面带负电的硅酸盐片层，依靠层间的静电作用而堆积在一起构成的土状矿物，其晶体结构中的晶胞是由两层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体构成，具有独特的一维层状纳米结构和阳离子交换性特性，但是由于其密度小，熔点低，因此很难被制作成靶材使用。本发明通过特定的方法处理之后，将蒙脱土以特定的形式作为靶材应用于磁控溅射技术中。本发明首先通过将蒙脱土与无水酒精混合制备悬浮液，然后将悬浮液涂覆在模具的各个表面，从而防止蒙脱土靶材制备的过程中，热压时产生粘模的现象，保证靶材的成型性能，保证得到的靶材具有良好的表面平整度。此外在进行烧结的过程中，本发明采用在特定的真空度和压力下，逐步升温，阶段性保温的方法，一方面，保证蒙脱土中组织结构的均匀性，提高蒙脱土的密度和纯度，降低蒙脱土内部的孔隙率，另一方面，能够获得具有一定取向的蒙脱土结晶体。本发明提供的方法得到的蒙脱土靶材具有密度高、孔隙率低、平整性好、不掉粉、结构均匀的优点，适用于作为靶材应用于磁控溅射技术中。

优选地，步骤(1)中，所述蒙脱土粉末与无水酒精的重量比为1:1-2。本发明采用蒙脱土粉末与无水酒精形成良好的悬浮液，在使用过程中，无水酒精挥发，悬浮液中的蒙脱土粉末能够起到脱模剂的作用，且不给蒙脱土靶材体系带来杂质，保证了蒙脱土靶材的纯度。

优选地，步骤(4)中，所述升温的速率为15-20℃/min。

本发明提供的升温速率为15-20℃/min，在此升温速率下，蒙脱土在加热炉中得到烧结，本发明提供升温速率较快，能够使得蒙脱土中的组分快速达到均匀的状态。

优选地，步骤(4)中，得到的所述蒙脱土靶材的厚度为3-6mm。

优选地，步骤(4)中，得到的所述蒙脱土靶材为圆形，直径为50-55cm。

本发明提供一种利用上述的蒙脱土靶材制备蒙脱土薄膜的方法，具体地，基于磁控溅射的蒙脱土薄膜的制备方法，包括以下步骤：

取导电基底作为底电极置于磁控溅射仪器中，将上述的蒙脱土靶材置于射频溅射靶位，进行磁控溅射处理，然后在500-600℃下退火50-70min，得到所述蒙脱土薄膜。

本发明提供的蒙脱土薄膜的制备方法，以上述的方法得到的高密度蒙脱土为靶材，通过磁控溅射技术成膜，然后进行退火处理，使得蒙脱土形成结构均匀，厚度较薄的膜材。本发明通过磁控溅射的方法以蒙脱土为靶材制备蒙脱土薄膜，在经过磁控溅射之后，得到而薄膜为非晶的原子、分子或团簇组成，薄膜的密度低，经过在500-600℃下退火50-70min，其中的原子、分子或团簇形成结晶，逐渐结晶成为晶粒；同时由于高温作用晶界运动会加剧，减少晶界空洞，能够使薄膜致密化，同时经过退火处理之后的薄膜表明趋于平整。优选地，所述导电基底为掺氟氧化锡玻璃、掺锡氧化铟薄膜、铂片中的一种。

优选地，所述导电基底在置于磁控溅射仪器之前进行前处理，所述前处理包括：首先使用棉签蘸取无水乙醇将导电面擦洗干净，再用去离子水多次冲洗；然后分别用去离子水，丙酮，无水乙醇超声清洗30分钟；再将清洗干净的导电基底吹干，贴上绝缘胶带，形成预留电极。

优选地，所述磁控溅射的功率是60W，气压为0.41-0.43Pa。

本发明提供一种上述基于磁控溅射的蒙脱土薄膜的制备方法得到的蒙脱土薄膜。

优选地，所述蒙脱土薄膜的厚度为10-800nm。

本发明提供的蒙脱土薄膜具有良好的介电性能，能够应用于电学元件中。

本发明的有益效果为：

1.本发明提供通过特定的方法处理蒙脱土，将蒙脱土以特定的形式作为靶材应用于磁控溅射技术中。本发明首先通过将蒙脱土与无水酒精混合制备悬浮液，将悬浮液涂覆在模具的各个表面的方式，从而防止蒙脱土靶材制备的过程中，热压时产生粘模的现象，保证靶材的成型性能，保证得到的靶材具有良好的表面平整度。然后在进行烧结的过程中，本发明采用在特定的真空度和压力下，逐步升温，阶段性保温的方法，一方面，保证蒙脱土中组织结构的均匀性，提高蒙脱土的密度和纯度，降低蒙脱土内部的孔隙率，另一方面，能够获得具有一定取向的蒙脱土结晶体。

2.本发明提供蒙脱土靶材具有密度高、孔隙率低、平整性好、不掉粉、结构均匀的优点，适用于作为靶材应用于磁控溅射技术中。

3.本发明提供的蒙脱土薄膜的制备方法，以上述高密度蒙脱土为靶材，通过磁控溅射技术成膜，然后进行退火处理制备得到蒙脱土薄膜，得到的蒙脱土薄膜结构均匀，厚度较薄、机械性能良好、介电性能优良、阻隔性能优良。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例1得到的蒙脱土靶材的X射线衍射图；

图2是实施例6得到的蒙脱土薄膜的表面形貌示意图；

图3是实施例6得到的蒙脱土薄膜的截面形貌示意图；

图4是试验例得到的包含蒙脱土薄膜的电极结构示意图；

图5是实施例6得到的蒙脱土薄膜的介电常数-频率曲线图；

图6是实施例6得到蒙脱土薄膜的介电损耗-频率曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

蒙脱土在磁控溅射靶材中的应用，所述蒙脱土靶材由以下方法制备得到：

(1)称取蒙脱土粉末，加入到无水酒精中，所述蒙脱土粉末与无水酒精的重量比为1:1，得到悬浮液；

(2)将步骤(1)得到的悬浮液涂覆在模具的内壁、上压头四周及接触面、下压头四周及接触面、衬套的内外表面、上下垫片的全部表面；

(3)将模套衬套装配在一起，将下压头装入模腔，放入下保护垫片，然后取蒙脱土粉末，装入模腔中，表面刮平，放入上保护垫片，然后插入上压头；

(4)将步骤(3)装好的模具放入加热炉中，对加热炉进行抽真空处理，保持加热炉的真空度为在5×10^-3Pa以下，然后通入惰性气体并升温，首先以15℃/min的升温速率升温至380℃，保温12min，然后继续升温至480℃，保温12min，最后升温至600℃，对模腔中的蒙脱土粉末进行加压至30MPa，保温40min，冷却，切割，得到所述蒙脱土靶材，所述蒙脱土靶材的为圆形，直径为50cm，厚度为6mm。

实施例2

蒙脱土在磁控溅射靶材中的应用，所述蒙脱土靶材由以下方法制备得到：

(1)称取蒙脱土粉末，加入到无水酒精中，所述蒙脱土粉末与无水酒精的重量比为1:2，得到悬浮液；

(2)将步骤(1)得到的悬浮液涂覆在模具的内壁、上压头四周及接触面、下压头四周及接触面、衬套的内外表面、上下垫片的全部表面；

(3)将模套衬套装配在一起，将下压头装入模腔，放入下保护垫片，然后取蒙脱土粉末，装入模腔中，表面刮平，放入上保护垫片，然后插入上压头；

(4)将步骤(3)装好的模具放入加热炉中，对加热炉进行抽真空处理，保持加热炉的真空度5×10^-3Pa以下，然后通入惰性气体并升温，首先以20℃/min的升温速率升温至420℃，保温8min，然后继续升温至520℃，保温8min，最后升温至700℃，对模腔中的蒙脱土粉末进行加压至15MPa，保温40min，冷却，切割，得到所述蒙脱土靶材，所述蒙脱土靶材的为圆形，直径为55cm，厚度为3mm。

实施例3

蒙脱土在磁控溅射靶材中的应用，所述蒙脱土靶材由以下方法制备得到：

(1)称取蒙脱土粉末，加入到无水酒精中，所述蒙脱土粉末与无水酒精的重量比为1:1，得到悬浮液；

(2)将步骤(1)得到的悬浮液涂覆在模具的内壁、上压头四周及接触面、下压头四周及接触面、衬套的内外表面、上下垫片的全部表面；

(3)将模套衬套装配在一起，将下压头装入模腔，放入下保护垫片，然后取蒙脱土粉末，装入模腔中，表面刮平，放入上保护垫片，然后插入上压头；

(4)将步骤(3)装好的模具放入加热炉中，对加热炉进行抽真空处理，保持加热炉证的真空度为3-50Pa，然后通入惰性气体并升温，首先以20℃/min的升温速率升温至400℃，保温10min，然后继续升温至500℃，保温10min，最后升温至600℃，对模腔中的蒙脱土粉末进行加压至20MPa，保温40min，冷却，切割，得到所述蒙脱土靶材，所述蒙脱土靶材的为圆形，直径为55cm，厚度为5mm。

实施例4

一种基于溅射的蒙脱土薄膜，所述薄膜的制备方法包括以下步骤：

取导电基底-掺氟氧化锡玻璃(FTO)作为底电极置于磁控溅射仪器中，将实施例1得到的所述的蒙脱土靶材置于射频溅射靶位，进行磁控溅射处理，然后在500℃下退火70min，得到所述蒙脱土薄膜。

实施例5

一种基于溅射的蒙脱土薄膜，所述薄膜的制备方法包括以下步骤：

取导电基底-掺氟氧化锡玻璃(FTO)作为底电极置于磁控溅射仪器中，将实施例2得到的所述的蒙脱土靶材置于射频溅射靶位，进行磁控溅射处理，然后在600℃下退火50min，得到所述蒙脱土薄膜。

实施例6

一种基于溅射的蒙脱土薄膜，所述薄膜的制备方法包括以下步骤：

取导电基底-掺氟氧化锡玻璃(FTO)作为底电极置于磁控溅射仪器中，将实施例3得到的所述的蒙脱土靶材置于射频溅射靶位，进行磁控溅射处理，然后在550℃下退火60min，得到所述蒙脱土薄膜。

试验例

1.对实施例3得到的蒙脱土靶材进行表征。

采用XRD对实施例3得到的蒙脱土(MMT)靶材进行结晶结构表征，结果见图1。

从图1的结果可以看出，采用本发明的方法制备得到得蒙脱土靶材的性能并没有发生变化，经过处理之后，蒙脱土作为靶材使用，仅仅改变了其形态和密度等性能，并没有使其实质发生改变。

2.对实施例6得到的蒙脱土薄膜进行表征。

采用扫描电子显微镜对实施例6得到的蒙脱土薄膜进行形貌；其中蒙脱土薄膜的表面形貌示意图见图2，蒙脱土薄膜的截面的形貌示意图见图3。

从图2的结果可以看出，经过本发明的方法制备得到的蒙脱土薄膜的表面基本能形成比较大的完整薄膜、表面平整，这说明采用本发明的方法能够得到表面平整、完整的薄膜，成膜性能良好。

从图3的结果可以看出，本发明提供的蒙脱土薄膜的截面厚度均匀，形成的膜材的厚度在700nm左右。

3.将实施例6的得到的蒙脱土薄膜制备成为包括电极的薄膜，所述薄膜从下到上依次为：底电极、蒙脱土薄膜中间层、顶电极。使用FTO(掺氟的氧化锡)基底作底电极，其方块电阻为14Ωsq^-1，厚度为100-300nm，其形状为矩形，边长为1-2cm；使用蒙脱土薄膜作中间层，其厚度为10-800nm，形状与底电极相同；使用Ti金属作顶电极，厚度为60-100nm，其形状为圆或矩形，其直径或边长为100-900μm；上述包括底电极的薄膜的制备方法为：

(1)首先使用棉签蘸取无水乙醇将FTO导电面擦洗干净，再用去离子水多次冲洗，然后分别用去离子水，丙酮，无水乙醇超声清洗30min，再将清洗干净的FTO吹干，贴上绝缘胶带，形成预留电极；

(2)取掺氟氧化锡玻璃(FTO)作为底电极置于磁控溅射仪器中，将实施例3得到的所述的蒙脱土靶材置于射频溅射靶位，进行磁控溅射处理，然后在550℃下退火60min，得到所述蒙脱土薄膜中间层；

(3)利用磁控溅射技术在步骤(2)中的蒙脱土薄膜中间层表面制备顶电极；用掩膜版覆盖在蒙脱土薄膜表面并置于磁控溅射设备中，采用直流磁控溅射法制备厚度为100nm，直径为100-900μm的Ti电极。

所述包括电极的薄膜的结构如图4所示。

采用阻抗测试仪对试验例得到的薄膜进行介电性能表征。首先，连接仪器电源线和外部接口，并在测量端子上连接测试电缆、探头与测试夹具，准备就绪后接通电源。然后，移除FTO的绝缘胶带，露出底电极，并将其置于探针台中，利用两个探针分别接触底电极和顶电极。测量频率范围为4Hz-8MHz，测量信号电平为1V。图5为薄膜的介电常数-频率曲线，图6为介电损耗-频率曲线。

从图5的结果可以看出，采用本发明提供的蒙脱土为靶材，经过磁控溅射技术成膜，得到的蒙脱土薄膜在低频范围内，具有较大的介电常数，最高达到7000；从图6的结果可以看出，本发明得到的薄膜的介电损耗随频率变化的规律来看，介电损耗整体较小。图5和图6的结果说明，本发明提供的蒙脱土薄膜具有良好的介电性能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.蒙脱土在磁控溅射靶材中的应用，其特征在于，所述蒙脱土靶材由以下方法制备得到：

(1)称取蒙脱土粉末，加入到无水酒精中，得到悬浮液；

(2)将步骤(1)得到的悬浮液涂覆在模具的内壁、上压头四周及接触面、下压头四周及接触面、衬套的内外表面、上下垫片的全部表面；

(3)将模套衬套装配在一起，将下压头装入模腔，放入下保护垫片，然后取蒙脱土粉末，装入模腔中，表面刮平，放入上保护垫片，然后插入上压头；

(4)将步骤(3)装好的模具放入加热炉中，对加热炉进行抽真空处理，保持加热炉的真空度在5×10^-3Pa以下，然后通入惰性气体并升温，首先升温至380-420℃，保温8-12min，然后继续升温至480-520℃，保温8-12min，最后升温至600-700℃，对模腔中的蒙脱土粉末进行加压至15-30MPa，保温40-50min，冷却，切割，得到所述蒙脱土靶材。

2.根据权利要求1所述的蒙脱土在磁控溅射靶材中的应用，其特征在于，步骤(1)中，所述蒙脱土粉末与无水酒精的重量比为：1:1-2。

3.根据权利要求1所述的蒙脱土在磁控溅射靶材中的应用，其特征在于，步骤(4)中，步骤(4)中，所述升温的速率为15-20℃/min。

4.根据权利要求1所述的蒙脱土在磁控溅射靶材中的应用，其特征在于，步骤(4)中，得到的所述蒙脱土靶材的厚度为3-6mm。

5.根据权利要求1所述的蒙脱土在磁控溅射靶材中的应用，其特征在于，步骤(4)中，得到的所述蒙脱土靶材为圆形，直径为50-55cm。

6.一种基于磁控溅射的蒙脱土薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

取导电基底作为底电极置于磁控溅射仪器中，将权利要求1-5任一得到的所述的蒙脱土靶材置于射频溅射靶位，进行磁控溅射处理，然后在500-600℃下退火50-70min，得到所述蒙脱土薄膜。

7.根据权利要求6所述的基于磁控溅射的蒙脱土薄膜的制备方法，其特征在于，所述导电基底为掺氟氧化锡玻璃、掺锡氧化铟薄膜、铂片中的一种。

8.权利要求7所述的基于磁控溅射的蒙脱土薄膜的制备方法得到的蒙脱土薄膜。

9.根据权利要求8所述的蒙脱土薄膜，其特征在于，所述蒙脱土薄膜的厚度为10-800nm。

10.权利要求8或9所述的蒙脱土薄膜在电学元件中的应用。

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