CN113151793B - 一种高强度高塑性铜铝纳米金属多层膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度高塑性铜铝纳米金属多层膜的制备方法，采用磁控溅射技术，通过对单层厚度为100nm的多层膜进行低温真空退火，铜层和铝层交替更迭，制备单层厚度较大的Cu/Al多层膜，采用真空低温退火工艺来保留纳米金属多层膜较大的单层厚度同时在界面处引入合金，获得塑性较好且强度与硬度较高的多层膜。通过这种方法实现了不添加元素的情况下获得高强度高塑性的铜铝纳米金属多层膜。

Description

一种高强度高塑性铜铝纳米金属多层膜的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料纳米金属多层膜领域，具体涉及一种高强度高塑性铜铝纳米金属多层膜的制备方法。
背景技术
纳米金属多层膜中存在大量的异质界面，且单层厚度均在纳米尺度，因而具有高强度和良好的抗辐照损失性能，不同于粗晶状态的光、电、磁学特性，在航空航天，汽车，机械制造、化学工业中有着广泛的应用前景。
一般认为纳米金属多层膜的单层厚度即为晶粒尺寸。多层膜的硬度与单层厚度具有强力的依赖关系，总的来说，单层厚度越小，纳米金属多层膜的强度和硬度就越高。因此工程上可通过减小单层厚度来提高多层膜的强度和硬度，但是当层厚减小到一定尺寸时，无法通过减小单层厚度来进一步提高多层膜强度。根据已有研究表明针对部分合金体系，可通过退火来进一步提高材料的强度，这是一种强化纳米金属多层膜的新思路。但是，当强度越高时，塑性越差，这将大大限制材料的应用。因此不但需要提高材料的强度，也需要提出新的思路来解决强度和塑性的矛盾。本发明针对铜铝纳米金属多层膜，从结构设计角度入手，通过对单层厚度较大的多层膜进行低温退火处理，在保留较大层厚的基础上引入界面合金来实现保留良好塑性的同时具备较高的强度。
发明内容
本发明的目的在于通过结构设计，解决纳米金属多层膜强度和塑性之间的矛盾，提供一种制备高强度高塑性的铜铝纳米金属多层膜的方法。通过对单层厚度为100nm的多层膜进行低温真空退火，制备出的铜铝纳米金属多层膜具有高强度和高塑性。该方法无需引入其他元素，方法简单可行，为解决强塑性矛盾提供了新的方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强度高塑性铜铝纳米金属多层膜的制备方法，包括采用磁控溅射制备铜铝纳米金属多层膜，并通过退火处理形成退火态金属多层膜，以获得高强度高塑性铜铝纳米金属多层膜。
进一步的，铜铝纳米金属多层膜与基体接触的底层为铝层，且两组元每层厚度为100nm。
一种高强度高塑性铜铝纳米金属多层膜的制备方法，包含磁控溅射制备多层膜与真空低温退火处理，具体包括以下步骤:
1)将单面抛光的单晶硅基片用丙酮和酒精分别超声清洗15-20分钟后，放入超高真空磁控溅射设备基片台上，准备镀膜；
2)将需要溅射的铜靶材和铝靶材安置在靶材座上，通过调整电源的功率控制靶材溅射速率；采用高纯氩气作为主要的离化气体，保证有效的辉光放电；
3)硅片溅射沉积时，铜层选择射频电源溅射，铝层选择直流电源沉积，先在硅基体上用用直流电源沉积一层铝层，之后再铝层上射频电源沉积一层铜层，这样交替沉积铝层/铜层，最终达到所需厚度；
4)将沉积的多层膜放入真空加热炉中，抽真空至真空度为2.4×10-4Pa至4.4×10-4Pa后，加热至100-110℃后保温30-35分钟，然后关闭加热炉，随炉冷却至室温后取出试样。
进一步的，步骤3)中铝层沉积工艺参数：直流电源功率为100W，附加基片台旋转，沉积温度为室温，沉积速率为4.8-5.1nm/min。
进一步的，步骤3)中铜层沉积工艺参数：脉冲电源功率100W，附加基片台旋转，沉积温度为室温，沉积速率为9.1-9.3nm/min。
进一步的，退火后的铜铝纳米多层膜的硬度与塑性数据见表1，层厚为100nm的铜铝纳米多层膜退火后的硬度从4.0GPa增加至6.8GPa，塑性从1.8％降低至1.54％，而硬度为7GPa的沉积态铜铝多层膜的塑性仅为0.5％。，单层厚度为100nm的退火态铜铝纳米金属多层膜具有高强度和高塑性。
表1不同层厚的Cu/Al纳米金属多层膜强度与塑性的比较
Figure BDA0002995373400000021
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明采用磁控溅射技术，通过铜层和铝层交替更迭，制备单层厚度较大的Cu/Al多层膜，采用真空低温退火工艺来保留纳米金属多层膜较大的单层厚度同时在界面处引入合金，获得塑性较好且强度与硬度较高的多层膜。通过这种方法实现了不添加元素的情况下获得高强度高塑性的铜铝纳米金属多层膜。
附图说明
图1为层厚为100nm的Cu/Al多层膜退火前后微观结构；
图2为本发明制备的Cu/Al纳米金属多层膜与该体系沉积态多层膜度和塑性的关系图。(其中阴影区域表示硬度与塑性相互排斥)
具体实施方式
本发明一种高强度高塑性铜铝纳米金属多层膜的制备方法，包括采用磁控溅射制备铜铝纳米金属多层膜，并通过低温真空退火处理形成退火态金属多层膜，以获得高强度高塑性铜铝纳米金属多层膜。其具体包括以下步骤：
1)将单面抛光单晶硅基体和聚酰亚胺基体(塑性测量)用丙酮和酒精各超声清洗15分钟后，用吹风机吹干后放入超高真空磁控溅射设备的基片台内准备镀膜；
2)将金属铜和金属铝靶材分别装在靶座上，铜层选择射频电源溅射，铝层选择直流电源沉积。通过调整电源的功率控制靶材溅射速率；采用高纯氩气作为主要的离化气体，保证有效的辉光放电；
3)合腔，开冷却水，先用机械泵抽真空，当真空度达到50Pa时，打开分子泵；
4)当本底真空度大1.4×10-4Pa时，通入氩气，氩气流量为3.0sccm。打开直流电源与射频电源开关，调节功率参数为100W，打开基片台旋转，沉积温度为室温，准备溅射。在此条件下，铝层沉积工艺参数：直流电源功率为100W，附加基片台旋转，沉积温度为室温，沉积速率为4.8-5.1nm/min；铜层沉积工艺参数：脉冲电源功率100W，附加基片台旋转，沉积温度为室温，沉积速率为9.1-9.3nm/min；
5)控制沉积时间为21分钟，先沉积100nm的铝层，关闭直流电源，接下来准备沉积铜层；
6)控制沉积时间为11分钟，沉积100nm的铜层，关闭电源，再次进行铝层的沉积。如此交替沉积5层铝层与用铜层，通过精确控制时间达到所需的预期厚度；
7)沉积结束后，随腔冷却1小时后取出样品；
8)将步骤6)制备的多层膜至于真空加热炉中，抽真空至真空度为2.4×10-4Pa至4.4×10-4Pa后，加热至100-110℃后，保温30-35分钟后，关闭仪器，冷却8h后取出。本发明是在室温下用纳米压入衡量试样硬度，用加电阻检测的拉伸试验来表征试样塑性。
综上所述，本发明提供了一种通过结构设计利用磁控溅射技术与退火工艺相结合，制备高强度高塑性的纳米金属多层膜，不引人其他元素，工艺简单，易操作。
另外，将以附图说明多层膜界面结构与其强塑性的关系。
参见图1，图1是单层厚度为100nm的(a)沉积态与(b)退火态Cu/Al纳米金属多层膜的透射电子显微镜照片，由图可知，退后前后试样均为多层结构，且层厚大致为100nm。
参见图2，图2是Cu/Al多层膜硬度与塑性的关系。对于沉积态多层膜，当单层厚度层厚为10nm时，硬度为7.6GPa，塑性为0.45％；单层厚度为100nm时，硬度为4.0GPa，塑性为1.8％，对于退火态多层膜，层厚为100nm时，硬度为6.8GPa，塑性为1.54％。这说明本发明制备的Cu/Al纳米金属多层膜在具有高硬度的同时兼具良好塑性，力学性能更加优异。该方法不引入其他元素，操作简单，成本较低，可重复性好，便于实现工业化生产。

Claims (4)

1.一种高强度高塑性铜铝纳米金属多层膜的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)将单面抛光的单晶硅基片用丙酮和酒精分别超声清洗15-20分钟后，放入超高真空磁控溅射设备基片台上，准备镀膜；
2)将需要溅射的铜靶材和铝靶材安装在靶材座上，通过调整电源的功率100W控制铜靶材和铝靶材溅射速率；采用高纯氩气纯度为99.99％作为主要的离化气体，保证有效的辉光放电；控制溅射功率为100W，铜的溅射速率为9.1-9.3nm/min，铝的溅射速率为4.8-5.1nm/min；
3)硅片溅射沉积时，铜层选择射频电源溅射，铝层选择直流电源沉积，先在硅基体上用直流电源沉积一层铝层，之后再铝层上射频电源沉积一层铜层，这样交替沉积铝层/铜层各6层，最终达到1.2-1.26μm的厚度；
4)将沉积的多层膜放入真空加热炉中，及加热至100-120℃后保温30-35分钟，然后关闭加热炉，随炉冷却至室温后取出试样；
纳米金属多层膜底层为铝层，每一纳米层的厚度为95-105nm。
2.根据权利要求1所述的高强度高塑性铜铝纳米金属多层膜的制备方法，其特征在于，退火工艺参数为：真空氛围，100-110℃，保温30-35分钟，随炉冷却。
3.根据权利要求1所述的高强度高塑性铜铝纳米金属多层膜的制备方法，其特征在于，退火真空度为2.4×10-4Pa至4.4×10-4Pa。
4.根据权利要求1所述的高强度高塑性铜铝纳米金属多层膜的制备方法，其特征在于，退火后的铜铝纳米多层膜的硬度从4.0GPa增加至6.8GPa，塑性从1.8％降低至1.54％，而硬度为7GPa的沉积态铜铝多层膜的塑性仅为0.5％。
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