CN113667941A - 一种中熵热敏薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种中熵热敏薄膜及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于热敏薄膜领域，特别涉及一种中熵热敏薄膜及其制备方法和应用。本发明提供的中熵热敏薄膜的制备方法包括：将蒸发料分别置于不同容器中，所述蒸发料包括纯Mn、纯Zn、纯Ni和纯Mg；于真空条件下在衬底上依次进行循环电子束蒸发镀膜，电子束蒸发镀膜中单次循环沉积的镀膜顺序依次为：纯Mn、纯Zn、纯Ni、纯Mg和纯Mn，得到初级镀膜，所述初级镀膜包括多个循环单元，每个循环单元包括内层Mn膜、Zn膜、Ni膜、Mg膜和外层Mn膜；每个循环单元中内层Mn膜、Zn膜、Ni膜、Mg膜和外层Mn膜的厚度比独立为25：5：(0.5～15)：(5～20)：25；将所述初级镀膜进行退火，得到所述中熵热敏薄膜。

Description

一种中熵热敏薄膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于热敏薄膜领域，特别涉及一种中熵热敏薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
中熵材料是由2～4种金属元素构成的一种具有单相结构的新型无机化合物的固溶体，其中一个或多个威科夫位点(Wyckoff site，表示晶胞中等价原子的对称性)由多种元素相等或近似相等的原子所共享，例如包括中熵热敏材料。相比高熵合金要求各金属元素在材料中的组分为等摩尔配比而言，中熵热敏材料中金属阳离子成分有时候接近等摩尔配比，有时候为非等摩尔配比，例如锰基二元(如NiMn2O4)、三元(如Mn1.56Co0.96Ni0.48O4)、四元(如MgxMn2Zn0.2Ni0.8-xO4)尖晶石型中熵热敏薄膜材料是以Mn3O4为原型材料，通过掺入1～3种其它+2或+3价的金属阳离子而得到。
随着微电子技术的长足发展，锰基中熵热敏材料开始向小型化、片式化发展，将锰基中熵热敏块体材料制备成薄膜或者纳米材料是当前科研和应用发展的趋势，但是成分的复杂性为锰基中熵热敏薄膜材料的制备带来了困难。以磁控溅射法制备Mn-Co-Ni-Fe-O锰基中熵热敏薄膜材料为例，由于Mn-Co-Ni-Fe各阳离子的成分可以有很大的变化，为了获得具有不同Mn-Co-Ni-Fe摩尔比的材料，需要分别制备具有相应摩尔比的陶瓷靶材，然后溅射沉积成膜材，该制备方法中靶材的制作复杂，导致中熵热敏薄膜制备方法繁杂且成本高，无法规模化生产。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种中熵热敏薄膜及其制备方法，本发明提供的方法在面对复杂成分的中熵热敏薄膜时无需制备合金靶材、操作简单且成本低，适于规模化生产。
为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种中熵热敏薄膜的制备方法，包括以下步骤：
将蒸发料分别置于不同容器中，所述蒸发料包括纯Mn、纯Zn、纯Ni和纯Mg；
于真空条件下在衬底上依次进行循环电子束蒸发镀膜，电子束蒸发镀膜中单次循环沉积的镀膜顺序依次为：纯Mn、纯Zn、纯Ni、纯Mg和纯Mn，得到初级镀膜，所述初级镀膜包括多个循环单元，每个循环单元包括内层Mn膜、Zn膜、Ni膜、Mg膜和外层Mn膜；
每个循环单元中内层Mn膜、Zn膜、Ni膜、Mg膜和外层Mn膜的厚度比独立为25：5：(0.5～15)：(5～20)：25；
将所述初级镀膜进行退火，得到所述中熵热敏薄膜。。
优选的，所述电子束蒸发镀膜的条件包括：灯丝电流独立地为90～160mA，沉积速率独立地为0.05～0.1nm/s。
优选的，所述电子束蒸发镀膜中蒸发料与衬底的距离为75～100mm。
优选的，所述电子束蒸发镀膜中蒸发料与电子枪灯丝的距离为20～30mm。
优选的，所述退火的温度为650～850℃，保温时间为0.5～1h。
优选的，所述电子束蒸发镀膜前，还包括：对衬底进行保温；所述保温的温度为23～300℃。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的中熵热敏薄膜，所述中熵热敏薄膜的化学组成为MgxMn2Zn0.2Ni0.8-xO4，x值为0.2～0.8。
优选的，所述中熵热敏薄膜的结构为尖晶石结构。
优选的，所述中熵热敏薄膜的组织结构为多晶结构。
本发明还提供了上述技术方案所述中熵热敏薄膜在温度检测的应用。
本发明提供了一种中熵热敏薄膜的制备方法，包括以下步骤：将蒸发料分别置于不同容器中，所述蒸发料包括纯Mn、纯Zn、纯Ni和纯Mg；于真空条件下在衬底上依次进行循环电子束蒸发镀膜，电子束蒸发镀膜中单次循环沉积的镀膜顺序依次为：纯Mn、纯Zn、纯Ni、纯Mg和纯Mn，得到初级镀膜，所述初级镀膜包括多个循环单元，每个循环单元包括内层Mn膜、Zn膜、Ni膜、Mg膜和外层Mn膜；每个循环单元中内层Mn膜、Zn膜、Ni膜、Mg膜和外层Mn膜的厚度比独立为25：5：(0.5～15)：(5～20)：25；将所述初级镀膜进行退火，得到所述中熵热敏薄膜。
在本发明中，电子束蒸发使用晶振来实时监控薄膜厚度，薄膜的厚度比和金属的摩尔比有正比例关系，因而可以很好的控制中熵合金薄膜各金属的摩尔比，有利于实现中熵热敏薄膜的厚度可控。而且，电子束蒸发设备可以同时设置多个坩埚，每一个坩埚放置一种纯金属蒸发料，无需中断真空，就可以制备多层金属膜，操作简单便捷，无需制备中熵合金靶材，成本低。
进一步的，本发明通过合理设置电子束蒸发镀膜条件，有利于得到纯度高、结晶度好、稳定性高的中熵热敏薄膜。
实施例测试结果表明，采用本发明提供的方法得到的中熵热敏薄膜具有尖晶石结构，薄膜纯度高、晶粒细化、结晶度好、稳定性高。
附图说明
图1为实施例1～4所得中熵热敏薄膜的XRD图；
图2为实施例1～4所得中熵热敏薄膜的Raman光谱图；
图3为实施例1所得中熵热敏薄膜表面的SEM图；
图4为实施例1所得中熵热敏薄膜截面的SEM图；
图5为实施例2所得中熵热敏薄膜表面的SEM图；
图6为实施例2所得中熵热敏薄膜截面的SEM图；
图7为实施例3所得中熵热敏薄膜表面的SEM图；
图8为实施例3所得中熵热敏薄膜截面的SEM图；
图9为实施例4所得中熵热敏薄膜表面的SEM图；
图10为实施例4所得中熵热敏薄膜截面的SEM图；
图11为实施例1～4所得中熵热敏薄膜的折射率-波长曲线图；
图12为实施例1～4所得中熵热敏薄膜的消光系数-波长曲线图；
图13为实施例1～4所得中熵热敏薄膜的电阻-温度关系图；
图14为实施例1～4所得中熵热敏薄膜的Ln(R)与1000/T的关系图。
具体实施方式
本发明提供了一种中熵热敏薄膜的制备方法，包括以下步骤：
将蒸发料分别置于不同容器中，所述蒸发料包括纯Mn、纯Zn、纯Ni和纯Mg；
于真空条件下在衬底上依次进行循环电子束蒸发镀膜，电子束蒸发镀膜中单次循环沉积的镀膜顺序依次为：纯Mn、纯Zn、纯Ni、纯Mg和纯Mn，得到初级镀膜，所述初级镀膜包括多个循环单元，每个循环单元包括内层Mn膜、Zn膜、Ni膜、Mg膜和外层Mn膜；
每个循环单元中内层Mn膜、Zn膜、Ni膜、Mg膜和外层Mn膜的厚度比独立为25：5：(0.5～15)：(5～20)：25；
将所述初级镀膜进行退火，得到所述中熵热敏薄膜。
本发明将蒸发料分别置于不同容器中，所述蒸发料包括纯Mn、纯Zn、纯Ni和纯Mg。
在本发明中，所述容器优选为坩埚。
将蒸发料分别置于容器中后，本发明于真空条件下在衬底上依次进行循环电子束蒸发镀膜，电子束蒸发镀膜中单次循环沉积的镀膜顺序依次为：纯Mn、纯Zn、纯Ni、纯Mg和纯Mn，得到初级镀膜，所述初级镀膜包括多个循环单元，每个循环单元包括内层Mn膜、Zn膜、Ni膜、Mg膜和外层Mn膜。
在本发明中，所述电子束蒸发镀膜的设备优选为电子束蒸发镀膜机。在本发明中，所述电子束蒸发镀膜设备中的坩埚数量优选为4～12个，更优选为4～6个。在本发明中，所述电子束蒸发镀膜设备中的坩埚优选为水冷坩埚。
在本发明中，所述蒸发料优选为纯Mn、纯Zn、纯Ni和纯Mg。在本发明中，所述蒸发料的纯度优选≥99.99％。
在本发明中，所述真空条件的真空度优选≤2×10-4Pa。
在本发明中，所述衬底优选为单晶硅。
所述电子束蒸发镀膜前，本发明优选对所述衬底进行预处理；所述预处理优选包括依次进行除有机杂质、除杂质元素和清洗。
在本发明中，所述除有机杂质的方法优选为将所述衬底置于硫酸-双氧水混合液中浸泡；所述浸泡的温度优选为50～60℃，更优选为52～60℃；时间优选为3～4h，更优选为3.5～4h。在本发明中，所述浸泡优选在水浴的条件下进行。在本发明中，所述硫酸-双氧水混合液中硫酸与双氧水的体积比优选为4：1；所述硫酸的质量百分比浓度优选为19.5％～20.5％，更优选为20～20.5％；所述双氧水的质量百分比浓度优选为20％～30％，更优选为22～30％。
在本发明中，所述除杂质元素的方法优选为将所述衬底置于双氧水-盐酸水溶液中浸泡；所述浸泡的温度优选为50～60℃，更优选为52～58℃；时间优选为3～4h，更优选为3.5～4h。在本发明中，所述双氧水-盐酸水溶液中水、双氧水和盐酸的体积比优选为5：1：1；所述双氧水的质量百分比浓度优选为20％～30％，更优选为22～30％；所述盐酸的质量百分比浓度优选为9.5％～10.5％，更优选为10～10.5％。
在本发明中，所述清洗优选包括依次的丙酮洗、乙醇洗和水洗。在本发明中，所述水洗用水优选为去离子水。本发明对所述丙酮洗、乙醇洗和水洗没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的丙酮洗、乙醇洗和水洗即可。在本发明中，所述丙酮洗、乙醇洗和水洗的时间优选独立地为5～15min。本发明通过清洗，得到干净的衬底。
所述电子束蒸发镀膜前，本发明优选将衬底进行保温；所述保温的温度优选为23～300℃，更优选为100～300℃。
所述电子束蒸发镀膜前，当真空度≤2×10-4Pa且衬底预热后，本发明优选对每个坩埚中的蒸发料进行预熔。在本发明中，所述预熔中电子枪灯丝的电流优选为90～160mA，更优选为95～155mA，再优选为100～150mA。本发明对所述预熔的时间没有特殊限定，以蒸发料的颗粒受热充分而微熔粘连为准。
预熔后，本发明优选还包括：对电子束蒸发镀膜设备的腔室抽真空并打开离子源，清洗腔室内残余气体及衬底表面的杂质。
在本发明中，电子束蒸发镀膜中单次循环沉积的镀膜顺序依次为：纯Mn、纯Zn、纯Ni、纯Mg和纯Mn，得到初级镀膜。
在本发明中，每个循环单元中内层Mn膜、Zn膜、Ni膜、Mg膜和外层Mn膜的厚度比独立为25：5：(0～15)：(5～20)：25，优选为25：5：(1～14)：(7～18)：25，更优选为25：5：(3～11)：(9～16)：25。在本发明中，所述纯Ni形成的电子束蒸发镀膜的厚度优选为5～20nm，更优选为7～18nm，再优选为9～16nm。
在本发明中，所述循环沉积的次数优选为2次。
在本发明中，所述电子束蒸发镀膜的条件包括：灯丝电流独立地优选为90～160mA，更优选为90～155mA，再优选为90～150mA。在本发明中，所述电子束蒸发镀膜中沉积速率独立地优选为0.05～0.1nm/s，更优选为0.05～0.09nm/s，再优选为0.05～0.085nm/s。
在本发明中，所述电子束蒸发镀膜中蒸发料与衬底的距离优选为75～100mm，更优选为80～95mm，再优选为82～93mm。
在本发明中，所述电子束蒸发镀膜中蒸发料与电子枪灯丝的距离优选为20～30mm，更优选为22～28mm，再优选为24～26mm。
得到初级镀膜后，本发明将所述初级镀膜进行退火，得到所述中熵热敏薄膜。
在本发明中，所述退火的温度优选为650～850℃，更优选为670～830℃；时间优选为0.5～1h，更优选为0.7～1h。在本发明中，所述退火的温度优选由室温升温得到；所述升温的速率优选为5℃/min。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的中熵热敏薄膜，所述中熵热敏薄膜的化学组成为MgxMn2Zn0.2Ni0.8-xO4，x值为0.2～0.8。
在本发明中，所述中熵热敏薄膜的结构优选为尖晶石结构。
在本发明中，所述中熵热敏薄膜的组织结构为多晶结构。
本发明还提供了上述技术方案所述中熵热敏薄膜在温度检测的应用。
本发明对所述应用没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的热敏材料的应用即可。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种中熵热敏薄膜及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
设计中熵热敏薄膜的化学组成为MgxMn2Zn0.2Ni0.8-xO4，x值为0.2；
将纯Mn、纯Zn、纯Ni和纯Mg蒸发料分别置于不同坩埚中，于背底真空度为2×10- 4Pa、单晶硅衬底预热温度为300℃条件下，在衬底上依次进行电子束蒸发镀膜，电子束蒸发镀膜中单次循环沉积的镀膜顺序依次为：纯Mn厚度为25nm、纯Zn厚度为5nm、纯Ni厚度为15nm、纯Mg厚度为5nm和纯Mn厚度为25nm，循环沉积2次，得到总厚度为150nm的初级镀膜，其中，电子束蒸发镀膜中，电子枪的灯丝电流为90mA，电子束蒸发镀膜中蒸发料与衬底的距离为87mm，所述电子束蒸发镀膜中蒸发料与电子枪灯丝的距离为25mm，沉积速率为0.05nm/s；
将所述初级镀膜于室温以5℃/min的速率升温至750℃，并在750℃进行退火1h，得到所述中熵热敏薄膜。
实施例2
设计中熵热敏薄膜的化学组成为MgxMn2Zn0.2Ni0.8-xO4，x值为0.4；
将纯Mn、纯Zn、纯Ni和纯Mg蒸发料分别置于不同坩埚中，于背底真空度为2×10- 4Pa、单晶硅衬底预热温度为300℃条件下，在衬底上依次进行电子束蒸发镀膜，电子束蒸发镀膜中单次循环沉积的镀膜顺序依次为：纯Mn厚度为25nm、纯Zn厚度为5nm、纯Ni厚度为10nm、纯Mg厚度为10nm和纯Mn厚度为25nm，循环沉积2次，得到总厚度为150nm的初级镀膜，其中，电子束蒸发镀膜中，电子枪的灯丝电流为90mA，电子束蒸发镀膜中蒸发料与衬底的距离为87mm，所述电子束蒸发镀膜中蒸发料与电子枪灯丝的距离为25mm，沉积速率为0.05nm/s；
将所述初级镀膜于室温以5℃/min的速率升温至750℃，并在750℃进行退火1h，得到所述中熵热敏薄膜。
实施例3
设计中熵热敏薄膜的化学组成为MgxMn2Zn0.2Ni0.8-xO4，x值为0.6；
将纯Mn、纯Zn、纯Ni和纯Mg蒸发料分别置于不同坩埚中，于背底真空度为2×10- 4Pa、单晶硅衬底预热温度为300℃条件下，在衬底上依次进行电子束蒸发镀膜，电子束蒸发镀膜中单次循环沉积的镀膜顺序依次为：纯Mn厚度为25nm、纯Zn厚度为5nm、纯Ni厚度为5nm、纯Mg厚度为15nm和纯Mn厚度为25nm，循环沉积2次，得到总厚度为150nm的初级镀膜，其中，电子束蒸发镀膜中，电子枪的灯丝电流为90mA，电子束蒸发镀膜中蒸发料与衬底的距离为87mm，所述电子束蒸发镀膜中蒸发料与电子枪灯丝的距离为25mm，沉积速率为0.05nm/s；
将所述初级镀膜于室温以5℃/min的速率升温至750℃，并在750℃进行退火1h，得到所述中熵热敏薄膜。
实施例4
设计中熵热敏薄膜的化学组成为MgxMn2Zn0.2Ni0.8-xO4，x值为0.8；
将纯Mn、纯Zn、纯Ni和纯Mg蒸发料分别置于不同坩埚中，于背底真空度为2×10- 4Pa、单晶硅衬底预热温度为300℃条件下，在衬底上依次进行电子束蒸发镀膜，电子束蒸发镀膜中单次循环沉积的镀膜顺序依次为：纯Mn厚度为25nm、纯Zn厚度为5nm、纯Ni厚度为0nm、纯Mg厚度为20nm和纯Mn厚度为25nm，循环沉积2次，得到总厚度为150nm的初级镀膜，其中，电子束蒸发镀膜中，电子枪的灯丝电流为90mA，电子束蒸发镀膜中蒸发料与衬底的距离为87mm，所述电子束蒸发镀膜中蒸发料与电子枪灯丝的距离为25mm，沉积速率为0.05nm/s；
将所述初级镀膜于室温以5℃/min的速率升温至750℃，并在750℃进行退火1h，得到所述中熵热敏薄膜。
测试
1、采用X射线衍射仪对实施例1～4所得中熵热敏薄膜进行X射线衍射，所得XRD图见图1。由图1可见，实施例1～4的中熵热敏薄膜都生成了尖晶石结构，在最强特征峰(311)处计算的晶粒尺寸分别为39.5，32.4，40.4和33.8nm，其中实施例1和实施例3中熵热敏薄膜的晶粒尺寸相对较大；并且，随着Mg含量的增加，所得中熵热敏薄膜的取向峰呈现减少的趋势。
2、采用拉曼光谱仪对实施例1～4所得中熵热敏薄膜进行拉曼光谱测试，所得Raman光谱图见图2。由图2可见，随着Mg含量的增加，代表Mn3+-O离子之间伸缩振动的A1g峰发生右偏，而代表Mn4+-O离子之间弯曲振动的F2g峰逐渐降低，在实施例4得到的中熵热敏薄膜中Mg元素完全替代Ni元素的时候不存在F2g峰，代而取之的是Si衬底的峰，同样A1g峰的半高宽变宽，这说明不同含量的Mg掺杂，会改变样品内部Mn3+和Mn4+离子浓度分布情况，从而导致A1g峰向右偏移。
3、采用扫描电子显微镜对实施例1～4所得中熵热敏薄膜进行扫描电镜测试，所得SEM图见图3～图10，其中，图3为实施例1所得中熵热敏薄膜表面的SEM图；图4为实施例1所得中熵热敏薄膜截面的SEM图；图5为实施例2所得中熵热敏薄膜表面的SEM图；图6为实施例2所得中熵热敏薄膜截面的SEM图；图7为实施例3所得中熵热敏薄膜表面的SEM图；图8为实施例3所得中熵热敏薄膜截面的SEM图；图9为实施例4所得中熵热敏薄膜表面的SEM图；图10为实施例4所得中熵热敏薄膜截面的SEM图。由图3～图10可见，随着Mg含量的增加，中熵热敏薄膜表面颗粒更加细化，晶界变得模糊。
4、采用椭圆偏振光谱仪对实施例1～4所得中熵热敏薄膜进行测试，所得折射率-波长曲线图见图11，所得消光系数-波长曲线图见图12。由图11和图12可见，随着Mg含量的增加，Mn3+吸收峰先增大后减小，Mn4+离子的吸收峰先减小后增大，这说明Mn3+离子与Mn4+离子在Mg掺杂的过程中发生了互换。
5、采用变温电阻测试仪对实施例1～4所得中熵热敏薄膜进行测试，所得电阻-温度关系图见图13，所得Ln(R)与1000/T的关系图见图14。由图13和图14可见，随着Mg含量的增加，实施例1～4所得中熵热敏薄膜的室温电阻也会随之增大，B值呈现先减少后增加的趋势，薄膜的电学性能稳定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种中熵热敏薄膜的制备方法，包括以下步骤：
将蒸发料分别置于不同容器中，所述蒸发料包括纯Mn、纯Zn、纯Ni和纯Mg；
于真空条件下在衬底上依次进行循环电子束蒸发镀膜，电子束蒸发镀膜中单次循环沉积的镀膜顺序依次为：纯Mn、纯Zn、纯Ni、纯Mg和纯Mn，得到初级镀膜，所述初级镀膜包括多个循环单元，每个循环单元包括内层Mn膜、Zn膜、Ni膜、Mg膜和外层Mn膜；
每个循环单元中内层Mn膜、Zn膜、Ni膜、Mg膜和外层Mn膜的厚度比独立为25：5：(0.5～15)：(5～20)：25；
将所述初级镀膜进行退火，得到所述中熵热敏薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电子束蒸发镀膜的条件包括：灯丝电流独立地为90～160mA，沉积速率独立地为0.05～0.1nm/s。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电子束蒸发镀膜中蒸发料与衬底的距离为75～100mm。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述电子束蒸发镀膜中蒸发料与电子枪灯丝的距离为20～30mm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述退火的温度为650～850℃，保温时间为0.5～1h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电子束蒸发镀膜前，还包括：对衬底进行保温；所述保温的温度为23～300℃。
7.权利要求1～6任一项所述制备方法制备的中熵热敏薄膜，其特征在于，所述中熵热敏薄膜的化学组成为MgxMn2Zn0.2Ni0.8-xO4，x值为0.2～0.8。
8.根据权利要求7所述的中熵热敏薄膜，其特征在于，所述中熵热敏薄膜的结构为尖晶石结构。
9.根据权利要求7所述的中熵热敏薄膜，其特征在于，所述中熵热敏薄膜的组织结构为多晶结构。
10.权利要求7～9任一项所述中熵热敏薄膜在温度检测的应用。
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