CN111551422A - 一种用于辉光放电质谱分析的金属粉末制样方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于辉光放电质谱分析的金属粉末制样方法，所述制样方法包括：将待测金属粉末置于导电基体上，共同放入模具中，然后进行加热加压，金属粉末镶嵌到导电基体中，完成制样。本发明所述方法通过加热加压将金属粉末镶嵌到导电基体中，金属粉末镶嵌稳定，不易脱落，可制备得到高质量的用于GDMS检测的样品，成功率可达到98％以上；本发明样品制备前的酸洗以及模具的使用，可有效脱除导电基体及模具表面的杂质，减少样品可能造成的污染，提高检测数据的准确性。

Description

一种用于辉光放电质谱分析的金属粉末制样方法

技术领域

本发明属于样品分析检测技术领域，涉及一种用于辉光放电质谱分析的金属粉末制样方法。

背景技术

随着集成电路、平面显示、太阳能产业的快速发展，功能薄膜材料的需求量日益增加，磁控溅射技术是制备薄膜材料的关键技术之一，其中金属靶材是磁控溅射工艺的关键耗材，在上述产业有着广阔的应用前景。

金属靶材的的纯度是影响其制备的薄膜材料性能的关键因素之一，纯度越高，薄膜中的杂质元素越少，则薄膜的耐蚀性、电学性能及光学性能越好。然而在实际应用中，不同用途的靶材对纯度的要求不一样，一般装饰镀膜用靶材对纯度的要求并不苛求，而集成电路、显示器等领域用靶材对纯度的要求高很多。靶材作为磁控溅射中的阴极源，材料中的杂质元素和气孔夹杂是沉积薄膜的主要污染源，气孔夹杂会在铸锭无损探伤的过程中基本去除，没有去除的气孔夹杂在溅射过程中会产生尖端放电现象，进而影响薄膜的质量；而杂质元素含量只能在全元素分析测试结果中体现，杂质总含量越低，靶材纯度就越高。

因此，靶材样品的纯度分析是其研究、生产和使用过程中的重要步骤，目前常用的方法之一是辉光放电质谱法(GDMS)，具有检测极限低、分析速度快、记忆效应小、精密度高等优点，可直接分析固体样品，广泛应用于高纯金属的成分分析。对于粉末样品，需要将其制备成块状固体或者固定于基体表面，在样品制备过程中容易引入杂质元素，且采用后者的方法时粉末可能难以完全镶嵌于在基体中，影响检测的准确性。

CN 102175754A公开了一种应用辉光放电质谱分析非导体材料的新方法，包括：a)将待分析的非导体材料加工成条状样品；b)清洗条状样品，烘干；c)将金属铟置于石英坩埚中，加热至熔融状态；d)使条状样品表面包覆一层金属铟膜；e)再次清洗条状样品，烘干；f)进行直流辉光放电质谱分析；该方法主要适用于检测非导体材料的纯度，在其外侧包裹一层金属层，也未涉及到粉末颗粒的检测。

CN 110542604A公开了一种用于辉光放电质谱检测高纯铟样品的测前处理方法，首先将待测的高纯铟样品原样进行超声腐蚀，腐蚀后的样品再依次进行超声清洗、吹干，唇干后的样品置于两块非金属硬板之间，用外力作用于上部的非金属硬板，使样品受挤压在样品底部产生一个平面，外力继续作用直至样品底部平面增大至测试所需大小，取出片状样品清洗吹干后得到符合要求的待测样品片。该方法是将样品直接压制成片状，可适用的样品种类范围较窄，对于硬度较大的材料难以适用，也并不适合粉末状样品的制样与检测。

综上所述，对于粉末状金属靶材样品的GDMS制样方法，还需要根据样品种类选择合适的操作方法，降低粉末镶嵌的难度，提高镶嵌的牢固度，从而提高样品检测的精确度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于辉光放电质谱分析的金属粉末制样方法，所述方法通过将金属粉末嵌入到导电基体中来制备一种可用于辉光放电质谱分析的样品，通过加热加压的操作使得粉末镶嵌稳定，不易脱落，同时减少样品可能造成的污染。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种用于辉光放电质谱分析的金属粉末制样方法，所述制样方法包括：

将待测金属粉末置于导电基体上，共同放入模具中，然后进行加热加压，金属粉末镶嵌到导电基体中，完成制样。

目前，通常采用辉光放电质谱法来检测固体样品的纯度，而对于粉末样品则需要先进行成型，通常采用的方法是粉末直接压制成型或者采用粘结剂共同压制，但该方法粉末使用量大，且后续要直接用作溅射材料，对工艺条件的控制较为严格，因此，本发明中采用金属粉末镶嵌到块状基体中的方法，粉末使用量小，通过采用加热加压的措施，降低粉末镶嵌到基体中的难度，使得镶嵌效果更好，不易脱落，而模具的使用可以减少样品可能造成的污染，提高检测数据的准确性。

以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

作为本发明优选的技术方案，所述金属粉末包括钛粉、铜粉或铝粉中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：钛粉和铜粉的组合，铜粉和铝粉的组合，钛粉、铜粉和铝粉的组合等。

优选地，所述金属粉末的纯度在99.9％以上，例如99.9％、99.95％、99.99％、99.995％或99.999％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，选择高纯度的金属粉末，既是金属粉末后续靶材应用的需要，也是GDMS检测的需要，纯度过低的话容易造成检测设备的污染，影响设备的使用。

优选地，所述金属粉末的粒径为50～500目，例如50目、100目、150目、200目、250目、300目、400目或500目等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，所述导电基体包括低熔点金属，优选为铟。

优选地，所述导电基体呈片状或块状。

本发明中，导电基体的选择对金属粉末的镶嵌效果具有显著影响，首先需要具有较好的导电性和塑性，降低粉末镶嵌的难度，低熔点则是避免加热时金属粉末发生变形甚至熔化，影响检测样品的制备；由于金属铟具备上述特性，可优先选择。

作为本发明优选的技术方案，所述金属粉末均匀分布于导电基体上。

本发明中，由于导电基体呈块状或片状，则金属粉末分布于其顶面上，便于进行压制。

优选地，所述金属粉末与导电基体的质量比为1:(5～15)，例如1:5、1:6、1:8、1:10、1:12、1:14或1:15等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，由于GDMS是通过辉光放电溅射样品表面(溅射2h深度约为10～15μm)，因此金属粉末的使用量无需太多，既可降低镶嵌压制的难度，又可避免因使用量过多造成金属粉末易脱落的问题，同时若金属粉末用量过少，则会造成嵌入金属分布不均匀，容易造成测量结果不准确。

作为本发明优选的技术方案，所述金属粉末和导电基体放入模具前，导电基体和模具均先进行清洗。

本发明中，由于金属粉末通常为高纯样品，GDMS检测对纯度的要求也较高，因此为了提高检测的精确度，所用导电基体及模具都需要进行清洗，将可能存在的杂质清洗干净；但一般不对金属粉末进行清洗，否则容易将粉末自身杂质清洗掉，影响检测结果，同时为了避免金属粉末在检测过程中被引入杂质，其取样及操作一般使用非金属材料，如陶瓷材料等。

优选地，所述清洗采用的清洗液为硝酸、氢氟酸和水的混合液。

优选地，所述清洗液中硝酸、氢氟酸和水的体积比为1:(1～1.5):(8～20)，例如1:1:8、1:1.2:8、1:1.5:8、1:1:12、1:1.2:12、1:1.5:12、1:1:16、1:1.2:16、1:1.5:16、1:1:20、1:1.2:20或1:1.5:20等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，选择硝酸和氢氟酸主要是利用氢氟酸在硝酸溶液中具有离解性能的特性，两者体积比的选择是为了更好的清除表面杂质元素，而酸与水的体积比即对酸液浓度的控制主要是为了防止样品表面被过度腐蚀，影响检测结果。

其中，酸液混合前，所用硝酸的浓度通常为65～68wt％，氢氟酸的浓度通常为40wt％。

作为本发明优选的技术方案，所述模具的形状与导电基体相匹配。

优选地，所述模具的材料包括聚四氟乙烯。

本发明中，模具的选择需要能够在加热温度下保持较高的强度和硬度，而为了模具的成型制造的方便，通常选择塑料或树脂类材料，为了满足上述使用条件，优先选择聚四氟乙烯；而模具的形状与导电基体相匹配则是指导电基体的大小、形状与模具内腔相同，相当于刚好填充到内腔内，各个面与内墙面相接触，便于加热加压设备对模具、导电基体及金属粉末整体进行加热加压。

作为本发明优选的技术方案，所述加热的温度为130～150℃，例如130℃、132℃、135℃、138℃、140℃、142℃、145℃、148℃或150℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述加压压力为5～8MPa，例如5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa或8MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，通过对金属粉末和导电基体进行加热，可以极大降低金属粉末嵌入基体的难度，使得金属粉末更加稳定的镶嵌在基体上，但加热温度的选择低于导电基体的熔点，则不会造成基体的较大变形，保证金属粉末嵌入的均匀性。

作为本发明优选的技术方案，所述金属粉末嵌入到导电基体中的深度为0.5～1.5mm，例如0.5mm、0.6mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.4mm或1.5mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，所述制样方法包括以下步骤：

(1)将导电基体和模具采用硝酸、氢氟酸和水的混合液进行清洗，所述混合液中硝酸、氢氟酸和水的体积比为1:(1～1.5):(8～20)；清洗完成后，将待测金属粉末置于导电基体上；其中，所述金属粉末包括钛粉、铜粉或铝粉中任意一种或至少两种的组合，所述金属粉末的纯度在99.9％以上，粒径为50～500目，所述导电基体包括低熔点金属，呈片状或块状，金属粉末与导电基体的质量比为1:(5～15)；

(2)将金属粉末和导电基体共同放入模具中，所述模具的形状与导电基体相匹配，所述模具的材料包括聚四氟乙烯，然后进行加热加压，加热的温度为130～150℃，加压压力为5～8MPa，金属粉末镶嵌到导电基体中，完成制样，所述金属粉末嵌入到导电基体中的深度为0.5～1.5mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所述方法通过加热加压将金属粉末镶嵌到导电基体中，金属粉末镶嵌稳定，不易脱落，可制备得到高质量的用于GDMS检测的样品，成功率可达到98％以上；

(2)本发明样品制备前的酸洗以及模具的使用，可有效脱除导电基体及模具表面的杂质，减少样品可能造成的污染，提高检测数据的准确性。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。

本发明具体实施方式部分提供了一种用于辉光放电质谱分析的金属粉末制样方法，所述制样方法包括：

将待测金属粉末置于导电基体上，共同放入模具中，然后进行加热加压，金属粉末镶嵌到导电基体中，完成制样。

以下为本发明典型但非限制性实施例：

实施例1：

本实施例提供了一种用于辉光放电质谱分析的金属粉末制样方法，所述制样方法包括以下步骤：

(1)将导电基体和模具采用硝酸、氢氟酸和水的混合液进行清洗，所述混合液中硝酸、氢氟酸和水的体积比为1:1:12；清洗完成后，将金属钛粉均匀分布于导电基体上；其中，所述金属钛粉的纯度为99.99％，粒径为250目，所述导电基体为铟片，金属钛粉与铟片的质量比为1:10；

(2)将金属钛粉和导电基体铟片共同放入聚四氟乙烯模具中，所述模具的形状与导电基体相匹配，然后进行加热加压，加热的温度为140℃，加压压力为6MPa，金属钛粉镶嵌到导电基体中，完成制样，所述金属钛粉嵌入到导电基体中的深度为1mm。

本实施例中，采用上述方法制备用于GDMS检测的样品，样品成功率可达到98.5％。

实施例2：

本实施例提供了一种用于辉光放电质谱分析的金属粉末制样方法，所述制样方法包括以下步骤：

(1)将导电基体和模具采用硝酸、氢氟酸和水的混合液进行清洗，所述混合液中硝酸、氢氟酸和水的体积比为1:1.5:20；清洗完成后，将金属钛粉均匀分布于导电基体上；其中，所述金属钛粉的纯度为99.95％，粒径为50目，所述导电基体为铟块，金属钛粉与铟块的质量比为1:15；

(2)将金属钛粉和导电基体铟块共同放入聚四氟乙烯模具中，所述模具的形状与导电基体相匹配，然后进行加热加压，加热的温度为130℃，加压压力为5MPa，金属钛粉镶嵌到导电基体中，完成制样，所述金属钛粉嵌入到导电基体中的深度为0.5mm。

本实施例中，采用上述方法制备用于GDMS检测的样品，样品成功率可达到98％。

实施例3：

本实施例提供了一种用于辉光放电质谱分析的金属粉末制样方法，所述制样方法包括以下步骤：

(1)将导电基体和模具采用硝酸、氢氟酸和水的混合液进行清洗，所述混合液中硝酸、氢氟酸和水的体积比为1:1.2:8；清洗完成后，将金属钛粉均匀分布于导电基体上；其中，所述金属钛粉的纯度为99.9％，粒径为500目，所述导电基体为铟片，金属钛粉与铟片的质量比为1:5；

(2)将金属钛粉和导电基体铟片共同放入聚四氟乙烯模具中，所述模具的形状与导电基体相匹配，然后进行加热加压，加热的温度为150℃，加压压力为8MPa，金属钛粉镶嵌到导电基体中，完成制样，所述金属钛粉嵌入到导电基体中的深度为1.5mm。

本实施例中，采用上述方法制备用于GDMS检测的样品，样品成功率可达到98.3％。

实施例4：

本实施例提供了一种用于辉光放电质谱分析的金属粉末制样方法，所述制样方法包括以下步骤：

(1)将导电基体和模具采用硝酸、氢氟酸和水的混合液进行清洗，所述混合液中硝酸、氢氟酸和水的体积比为1:1:18；清洗完成后，将金属铜粉均匀分布于导电基体上；其中，所述金属铜粉的纯度为99.95％，粒径为150目，所述导电基体为铟片，金属铜粉与铟片的质量比为1:8；

(2)将金属铜粉和导电基体铟片共同放入聚四氟乙烯模具中，所述模具的形状与导电基体相匹配，然后进行加热加压，加热的温度为145℃，加压压力为7MPa，金属铜粉镶嵌到导电基体中，完成制样，所述金属铜粉嵌入到导电基体中的深度为1.2mm。

本实施例中，采用上述方法制备用于GDMS检测的样品，样品成功率可达到98.1％。

实施例5：

本实施例提供了一种用于辉光放电质谱分析的金属粉末制样方法，所述制样方法包括以下步骤：

(1)将导电基体和模具采用硝酸、氢氟酸和水的混合液进行清洗，所述混合液中硝酸、氢氟酸和水的体积比为1:1.4:10；清洗完成后，将金属铝粉均匀分布于导电基体上；其中，所述金属铝粉的纯度为99.995％，粒径为400目，所述导电基体为铟片，金属铝粉与铟片的质量比为1:12；

(2)将金属铝粉和导电基体铟片共同放入聚四氟乙烯模具中，所述模具的形状与导电基体相匹配，然后进行加热加压，加热的温度为135℃，加压压力为6.5MPa，金属铝粉镶嵌到导电基体中，完成制样，所述金属铝粉嵌入到导电基体中的深度为0.8mm。

本实施例中，采用上述方法制备用于GDMS检测的样品，样品成功率可达到98.4％。

实施例6：

本实施例提供了一种用于辉光放电质谱分析的金属粉末制样方法，所述制样方法参照实施例1中的方法，区别仅在于：步骤(1)中不采用混合液进行清洗。

本实施例中，由于导电基体及模具未进行清洗，其表面上的杂质在粉末压制嵌入过程中容易被引入样品中，造成钛粉纯度检测的准确性降低。

对比例1：

本对比例提供了一种用于辉光放电质谱分析的金属粉末制样方法，所述制样方法参照实施例1中的方法，区别仅在于：步骤(2)中不进行加热。

本对比例中，由于金属粉末嵌入过程中，未进行加热，此时粉末的嵌入难度较大，在采用相同压力的条件下，粉末的嵌入率较低，且容易脱落，样品制备成功率仅为80％左右。

综合上述实施例和对比例可以看出，本发明所述方法通过加热加压将金属粉末镶嵌到导电基体中，金属粉末镶嵌稳定，不易脱落，可制备得到高质量的用于GDMS检测的样品，成功率可达到98％以上；本发明样品制备前的酸洗以及模具的使用，可有效脱除导电基体及模具表面的杂质，减少样品可能造成的污染，提高检测数据的准确性。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明方法的等效替换及辅助步骤的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种用于辉光放电质谱分析的金属粉末制样方法，其特征在于，所述制样方法包括：

将待测金属粉末置于导电基体上，共同放入模具中，然后进行加热加压，金属粉末镶嵌到导电基体中，完成制样。

2.根据权利要求1所述的制样方法，其特征在于，所述金属粉末包括钛粉、铜粉或铝粉中任意一种或至少两种的组合；

优选地，所述金属粉末的纯度在99.9％以上；

优选地，所述金属粉末的粒径为50～500目。

3.根据权利要求1或2所述的制样方法，其特征在于，所述导电基体包括低熔点金属，优选为铟；

优选地，所述导电基体呈片状或块状。

4.根据权利要求1-3任一项所述的制样方法，其特征在于，所述金属粉末均匀分布于导电基体上；

优选地，所述金属粉末与导电基体的质量比为1:(5～15)。

5.根据权利要求1-4任一项所述的制样方法，其特征在于，所述金属粉末和导电基体放入模具前，导电基体和模具均先进行清洗；

优选地，所述清洗采用的清洗液为硝酸、氢氟酸和水的混合液；

优选地，所述清洗液中硝酸、氢氟酸和水的体积比为1:(1～1.5):(8～20)。

6.根据权利要求1-5任一项所述的制样方法，其特征在于，所述模具的形状与导电基体相匹配；

优选地，所述模具的材料包括聚四氟乙烯。

7.根据权利要求1-6任一项所述的制样方法，其特征在于，所述加热的温度为130～150℃。

8.根据权利要求1-7任一项所述的制样方法，其特征在于，所述加压压力为5～8MPa。

9.根据权利要求1-8任一项所述的制样方法，其特征在于，所述金属粉末嵌入到导电基体中的深度为0.5～1.5mm。

10.根据权利要求1-9任一项所述的制样方法，其特征在于，所述制样方法包括以下步骤：

(1)将导电基体和模具采用硝酸、氢氟酸和水的混合液进行清洗，所述混合液中硝酸、氢氟酸和水的体积比为1:(1～1.5):(8～20)；清洗完成后，将待测金属粉末置于导电基体上；其中，所述金属粉末包括钛粉、铜粉或铝粉中任意一种或至少两种的组合，所述金属粉末的纯度在99.9％以上，粒径为50～500目，所述导电基体包括低熔点金属，呈片状或块状，金属粉末与导电基体的质量比为1:(5～15)；

(2)将金属粉末和导电基体共同放入模具中，所述模具的形状与导电基体相匹配，所述模具的材料包括聚四氟乙烯，然后进行加热加压，加热的温度为130～150℃，加压压力为5～8MPa，金属粉末镶嵌到导电基体中，完成制样，所述金属粉末嵌入到导电基体中的深度为0.5～1.5mm。