CN117107204A - 一种具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜及其制备方法 - Google Patents
一种具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117107204A CN117107204A CN202311095164.2A CN202311095164A CN117107204A CN 117107204 A CN117107204 A CN 117107204A CN 202311095164 A CN202311095164 A CN 202311095164A CN 117107204 A CN117107204 A CN 117107204A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- target
- sputtering
- glass film
- amorphous
- high hardness
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000011521 glass Substances 0.000 title claims abstract description 50
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 38
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 28
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 41
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 101150089047 cutA gene Proteins 0.000 claims abstract description 13
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 48
- 239000005300 metallic glass Substances 0.000 claims description 37
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 34
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 33
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 31
- 238000005477 sputtering target Methods 0.000 claims description 24
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 19
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 11
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 9
- 238000007747 plating Methods 0.000 claims description 8
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 7
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 11
- 238000007373 indentation Methods 0.000 abstract description 10
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 7
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 3
- 229910001362 Ta alloys Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 43
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 30
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 10
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910000808 amorphous metal alloy Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
- C23C14/352—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering using more than one target
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C45/00—Amorphous alloys
- C22C45/10—Amorphous alloys with molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, titanium, or zirconium or Hf as the major constituent
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
- C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
- C23C14/165—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon by cathodic sputtering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/54—Controlling or regulating the coating process
- C23C14/548—Controlling the composition
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C2200/00—Crystalline structure
- C22C2200/02—Amorphous
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明提供了一种具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜及其制备方法，该方法采用共溅射制备具有高密度纳尺度非晶/非晶层状界面的金属玻璃薄膜，其微结构独特之处在于组元层为元素相同但含量不同的非晶CuTa合金，该非晶组元层厚度控制在极小尺度；本发明充分利用二元Cu‑Ta合金的优异非晶形成能力，采用两种金属元素即可形成纳尺度非晶/非晶界面，大幅度减少了合金元素的消耗，亦避免了合金靶材的复杂制备过程或昂贵合金靶材的定制，从而极大降低了材料的制备成本；本发明的金属玻璃薄膜具有高硬度与高变形能力(微尺度压痕下无剪切带)的优异力学性能，在高强度电子器件、耐磨以及抗腐蚀涂层等领域拥有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及非晶态合金薄膜技术领域，特别涉及一种具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜及其制备方法。
背景技术
自1960年Klement等人首次报道非晶态合金(通常称之为金属玻璃)以来，金属玻璃的化学、物理、力学性能一直是科学界的研究热点。与原子周期性排布的晶体结构不同，金属玻璃的原子结构具有长程无序、短程有序的特点。其特殊的微结构赋予金属玻璃超高的室温强度/硬度、高屈服应变、良好的耐磨及耐腐蚀性、优异的抗辐照损伤及抗疲劳性能，使得金属玻璃在微机电系统(MEMS)上具有广泛的应用前景。一个典型的商业案例是：采用了溅射沉积的Al3Ti基金属玻璃作为数字光处理器(DLP)中微镜旋转的铰链，该铰链经过1012次循环测试没有发生疲劳失效。然而，由于缺乏类似晶体结构中位错、孪晶等承担较大塑性变形的晶格缺陷，金属玻璃仅能以原子团簇沿着某一剪切路径发生聚集和移动，并形成贯穿式的剪切带，导致材料整体迅速破坏。因此，金属玻璃在室温下往往表现出脆性，其拉伸延伸率几乎为零，极大地限制了金属玻璃的工程应用。因此，如果能在保持金属玻璃高强度的前提下大幅增强其塑性变形能力，那么金属玻璃材料将具有广阔的应用前景。
目前用于改善金属玻璃塑性的策略通常有两种。其一是在金属玻璃基体中引入韧性晶体相，从而形成晶体-非晶复合材料。例如专利申请号为200510136732.4的一种具有较大塑性应变的锆基块状纳米晶非晶合金。这种策略虽然可以提高金属玻璃的塑性变形能力，但是由于软相的引入，往往导致复合材料的强度下降。另外一种方法是将纳米尺度特征引入金属玻璃，构筑新型纳米玻璃结构或纳米多层玻璃结构，这些纳尺度玻璃结构均具有高密度纳尺度非晶/非晶界面。近年来研究表明，金属玻璃的变形能力强烈依赖于其几何尺寸，当其几何尺寸减小到纳米尺寸时，剪切带难以在层内形核和扩展。因此，金属玻璃亦能发生均匀塑性变形，即由“脆”向“韧”的转变。因此，高密度纳尺度非晶/非晶界面的引入可有效提高金属玻璃的塑性。
纳米玻璃结构类似于纳米晶粒结构，特点为纳米非晶颗粒被非晶界面所包裹，例如专利申请号为202110902346.0的纳米玻璃粉的制备方法、纳米玻璃粉及玻璃制品，这种纳米结构金属玻璃虽然也具有良好的塑性变形能力，但其制备工艺较为复杂，且制成的纳米结构金属玻璃往往不够致密，难以满足实际工程应用。而现有纳米多层玻璃结构通过交替堆叠不同非晶合金并控制非晶界面间距为纳米尺度而成，例如专利申请号为201810327877.X的一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法，该专利通过磁控溅射交替沉积Ni50Nb50、Zr61Cu17.5Ni10Al7.5Si4合金靶制备出Ni50Nb50/Zr61Cu17.5Ni10Al7.5Si4纳米多层玻璃薄膜。相较其单一组分非晶薄膜，这种纳米多层玻璃薄膜在微压痕下的堆积高度明显降低，表明其塑性变形能力得到一定程度的提高。但这类方法制备的纳米多层玻璃材料其组分层由不同非晶合金组成，需要消耗较多的合金元素，采用单质金属靶材进行溅射制备需要至少6个靶材，采用合金靶材则至少需要2个靶材，导致造价较为昂贵，制备也较为复杂。
发明内容
本发明提供了一种具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜及其制备方法，其目的是为了解决如何减少合金元素的消耗，同时避免使用合金靶材以制备具有高强度与高变形能力且成分精确可调的纳米金属玻璃薄膜材料的问题。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜及其制备方法，该方法采用铜、钽两种单质金属共溅射制备具有高密度纳尺度非晶/非晶层状界面的多层金属玻璃薄膜，其组元层为元素相同但含量不同的非晶CuTa合金(例如Cu57Ta43/Cu37Ta63)，且该非晶组元层厚度控制在极小尺度(5纳米)；本发明制备的层状纳米金属玻璃薄膜不仅实现了高硬度与高变形能力的结合，并且充分利用二元Cu-Ta合金的优异非晶形成能力，采用两种金属元素即可形成纳尺度非晶/非晶界面，大幅度减少了合金元素的消耗，亦避免了合金靶材的复杂制备过程或昂贵合金靶材的定制，从而极大降低了材料的制备成本。本发明采用同一种非晶合金体系(CuTa)实现了纳米多层玻璃薄膜材料的制备，独特之处在于：(1)使用铜(Cu)、钽(Ta)两种单质金属共溅射形成的CuTa非晶合金来合成纳米多层金属玻璃；(2)纳尺度非晶/非晶界面由元素相同但含量不同的非晶CuTa合金(Cu57Ta43/Cu37Ta63)交替沉积形成，仅需2种单质靶材，造价较低，制备较为简单；(3)非晶组元层厚度控制在极小尺度(5纳米)，使得整个材料内部具有高密度的纳尺度非晶/非晶界面；(4)本方案制备的CuTa/CuTa纳米多层金属玻璃具有高硬度(8.4GPa)与优异的变形能力(微尺度压痕下无剪切带产生)。基于以上特点，本发明制备的CuTa纳米金属玻璃薄膜材料在高强度电子器件、切削刀具耐磨涂层等领域拥有广泛的应用前景，并且制备方法简单、成本较低，利于实际应用与推广。
本发明的实施例提供了一种具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜，由元素相同但含量不同的CuTa合金交替沉积形成的，具有高密度纳尺度非晶/非晶界面的多层金属玻璃薄膜。
优选的，交替沉积的单个组元层薄膜厚度均为5nm，薄膜总层数大于200层，薄膜总厚度大于1μm。
优选的，薄膜各组元层合金元素及含量为Cu37Ta63～Cu57Ta43(at.％)，即单个组元层合金元素的Cu元素含量为37at.％～57at.％，Ta元素含量为43at.％～63at.％。
优选地，所述的具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜的硬度高达8.4GPa。
基于一个发明总的构思，本发明的实施例提供了上述的具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜的制备方法，包括如下步骤：
S1：选取单质靶材Cu靶材和Ta靶材，将选好的单质靶材Cu靶材和Ta靶材放在沉积室的1、2号直流溅射靶腔内固定好，将沉积室内部抽真空；
S2：将基底安装至沉积室内的三爪卡盘上，并调整基底与靶材之间的间距；
S3：充入氩气，调节氩气流量控制沉积室的初始气压，设置偏压电源功率清洗基底；调节氩气流量控制沉积室的预溅射气压，设置1、2号直流溅射靶腔功率进行预溅射；
S4：控制基底旋转电机的转速，调节1、2号靶腔功率，进行溅射，第一层溅射完毕关闭靶腔挡盖，等待10～15s；调节1、2号靶腔功率，再次打开靶腔挡盖进行溅射，第二层溅射完毕关闭靶腔挡盖，再次等待10～15s；重复之前的步骤交替沉积，直至全部沉积完成，真空冷却至常温，即得。
优选地，步骤S1中沉积室内部真空抽至低于1.0×10-4Pa。
优选地，步骤S1中Cu靶材和Ta靶材的纯度高于99.99％。
优选地，步骤S2中基底为(100)取向的单晶硅，尺寸为2inch*0.4mm，单面抛光，电阻率小于0.1Ω·cm。
优选地，步骤S2中基底与靶材之间的间距为88～138mm。
优选地，步骤S3中初始气压为4～8Pa，偏压电源功率为30～50W，清洗时间为5～10min。
优选地，步骤S3中预溅射气压为0.3Pa，1、2号直流溅射靶腔功率为30～50W，预溅射时间为10～15min。
优选的，步骤S4中1、2号靶腔功率分别为25W～87W和100W，共溅射镀率为0.1819nm/s～0.3194nm/s。
优选地，步骤S4中旋转电机的转速10～30r/min；冷却时间为1～3h。
优选地，所述氩气的纯度高于99.999％。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
(1)采用同一非晶合金体系实现了纳米多层玻璃材料的制备，仅需2个单质靶材，与采用多种非晶合金体系的方法相比，靶材数目至少减少了一倍，避免了复杂的合金靶材制备过程，极大降低了金属玻璃薄膜的制备成本，同时，靶材数目的减少也降低了制备的难度；
(2)金属玻璃的成分及含量高度可调，通过选择不同的单质金属靶材可制备出不同的金属玻璃，其成分可通过调控靶腔的溅射功率实现，其操作过程简洁易实现；
(3)制备的纳米多层玻璃层状结构稳定可靠，界面平直，各层厚度均匀，完全为非晶结构，薄膜与基底结合紧密，内部元素均匀分布并且致密无孔；
(4)制备的纳米多层金属玻璃在保持高硬度(8.4GPa)的同时，仍表现出良好的塑性变形能力(在微压痕实验下无剪切带出现)；
(5)本方法不局限于CuTa合金体系，可普遍应用于具有较强非晶形成能力的各种二元或多元(含中/高熵合金)非晶合金体系，包括但不局限于CuZr、CuNb、CuHf、ZrNi、TiZrNb、TiZrHfNb、TiZrHfNbNi等体系，通过改变上述非晶体系中的元素比例形成元素含量不同的组元层，以制备具有高强与高变形能力的各种层状纳米结构金属玻璃薄膜材料。
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是本发明实施例1的Cu57Ta43/Cu37Ta63层状纳米玻璃薄膜与对比例1、2单组分金属玻璃薄膜的X射线衍射图像。
图2为本发明实施例1的Cu57Ta43/Cu37Ta63层状纳米玻璃薄膜的横截面TEM图像
图3为本发明实施例1的层状纳米玻璃薄膜和对比例1、2的纳米压痕硬度。
图4为本发明实施例1与对比例1、2的三次微压痕实验表面残余形貌，微压痕实验载荷为100mN，保载时间为5秒。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本发明针对现有的问题，提供了一种具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜及其制备方法。
实施例1
Cu57Ta43/…/Cu37Ta63层状纳米金属玻璃薄膜的制备过程，具体步骤如下：
(1)将Cu靶(纯度为99.99％)、Ta靶(纯度为99.99％)分别安装在沉积室内的1号、2号直流溅射靶腔上，再将单晶硅(100)基底安装至沉积室内的底盘上，关闭沉积室舱门将真空抽至9×10-5Pa。
(2)通入纯度为99.999％的高纯氩气，调节氩气流量为190sccm使得沉积室内的气压达到6.4Pa，开启偏压电源使功率为50W，进行5分钟时长的硅片清洗。硅片清洗完成之后调节氩气的流量为18sccm使得沉积室工作气压为0.3Pa，打开1、2号直流溅射靶腔设置功率为50W，预溅射10分钟清洗靶材表面的污染物。
(3)开启基底的旋转电机，设置转速为30转/分钟。分别调节1号(Cu靶)、2号(Ta靶)直流溅射靶腔的功率为25W和100W，打开靶腔的挡盖共溅射第一层Cu37Ta63非晶薄膜，共溅射的镀率为0.1819nm/s，时间达到27.5s后关闭两个靶腔的挡盖，等待10s。再次分别调节1号、2号直流溅射靶腔的功率为87W和100W，打开靶腔的挡盖共溅射下一层Cu57Ta43非晶薄膜，共溅射的镀率为0.3194nm/s，溅射时间为15.6s，再次等待10s。重复之前的共溅射操作交替镀膜，直到240层组元层全部沉积完成。
(4)关闭1号、2号靶腔电源，将样品送至真空冷却室中冷却1h后取出。
实施例2
Cu47Ta53/…/Cu37Ta63层状纳米金属玻璃薄膜的制备过程，具体步骤如下：
其他同实施例1，区别在于步骤(3)中第一层共溅射沉积参数为：1号(Cu靶)、2号(Ta靶)直流溅射靶腔的功率分别为48W和100W，共溅射的镀率为0.2329nm/s，溅射时间为21.5s。下一层共溅射沉积参数为：1号(Cu靶)、2号(Ta靶)直流溅射靶腔的功率分别为87W和100W，共溅射的镀率为0.3194nm/s，溅射时间为15.6s。
对比例1
一种Cu37Ta63单组分金属玻璃薄膜的制备方法，具体制备过程如下：
(1)将Cu靶(纯度为99.99％)、Ta靶(纯度为99.99％)分别安装在沉积室内的1号、2号直流溅射靶腔上，再将单晶硅(100)基底安装至沉积室内的底盘上，关闭沉积室舱门将真空抽至9×10-5Pa。
(2)通入纯度为99.999％的高纯氩气，调节氩气流量为180sccm使得沉积室内的气压达到5.9Pa，开启偏压电源使功率为50W，进行5分钟时长的硅片清洗。硅片清洗完成之后调节氩气的流量为18sccm使得沉积室工作气压为0.3Pa，打开1、2号直流溅射靶腔设置功率为50W，预溅射10分钟清洗靶材表面的污染物。
(3)开启基底的旋转电机，设置转速为30转/分钟。分别调节1号(Cu靶)、2号(Ta靶)直流溅射靶腔的功率为25W和100W，打开1、2号靶腔的挡盖共溅射Cu37Ta63金属玻璃薄膜，共溅射的总镀率为0.1819nm/s，共溅射时间为74分钟。
(4)当共溅射达到所需要的时间时，关闭1号、2号靶腔电源，将样品送至真空冷却室中冷却1h后取出。
对比例2
一种Cu57Ta43单组分金属玻璃薄膜的制备方法，具体制备过程如下：
(1)将Cu靶(纯度为99.99％)、Ta靶(纯度为99.99％)分别安装在沉积室内的1号、2号直流溅射靶腔上，再将单晶硅(100)基底安装至沉积室内的底盘上，关闭沉积室舱门将真空抽至9×10-5Pa。
(2)通入纯度为99.999％的高纯氩气，调节氩气流量为180sccm使得沉积室内的气压达到5.9Pa，开启偏压电源使功率为50W，进行5分钟时长的硅片清洗。硅片清洗完成之后调节氩气的流量为18sccm使得沉积室工作气压为0.3Pa，打开1、2号直流溅射靶腔设置功率为50W，预溅射10分钟清洗靶材表面的污染物。
(3)开启基底的旋转电机，设置转速为30转/分钟。分别调节1号(Cu靶)、2号(Ta靶)直流溅射靶腔的功率为69W和80W，打开1、2号靶腔的挡盖共溅射Cu57Ta43金属玻璃薄膜，共溅射的总镀率为0.2542nm/s，共溅射时间为66分钟。
(4)当共溅射达到所需要的时间时，关闭1号、2号靶腔电源，将样品送至真空冷却室中冷却1h后取出。
X射线衍射和透射电子显微镜对于实施例1及对比例1、2的表征结果显示，通过本方法制备的CuTa层状纳米金属玻璃为非晶态结构，内部层状结构清晰可见，如附图1、附图2所示。另外，纳米压痕测试结果表明，Cu37Ta63单组分金属玻璃(对比例1)和Cu57Ta43单组分金属玻璃(对比例2)的纳米硬度分别为6.6GPa和9.6GPa，Cu57Ta43/Cu37Ta63层状纳米金属玻璃的硬度为8.4GPa，相较于由对比例1、2基于混合法则计算的硬度((6.6+9.6)/2＝8.1GPa)高出0.3GPa，如附图3所示。随后对每个样品进行三次微压痕实验，载荷为100mN。结果显示，单组分金属玻璃薄膜(对比例1、2)的压痕周围均出现了大量的剪切带(附图4(a)和(b))，表明其塑性较差；而层状纳米金属玻璃压痕周围均无剪切带产生，表现出均匀的塑性变形，如附图4(c)所示。本发明制备的层状纳米金属玻璃薄膜通过元素相同但成分不同的CuTa非晶合金交替沉积形成了致密的非晶/非晶界面，并且将单层层厚度限制在5纳米，这使得金属玻璃内部的变形单元(剪切转变区)在单个组元层内没有足够的空间形成剪切带，并且致密的非晶/非晶界面将进一步限制剪切转变区在层与层之间的扩散，从而实现均匀的塑性变形。以上实验结果表明，通过此种方法制备的纳米金属玻璃实现了高强度与高变形能力的结合，需要指出的是，高变形能力主要归因于较小的层厚以及高密度的非晶/非晶界面，因此，在Cu-Ta的非晶形成范围内改变组元的成分亦能得到与本发明定性一致的实验结果。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜，其特征在于，由元素相同但含量不同的CuTa合金交替沉积形成的，具有高密度纳尺度非晶/非晶界面的多层金属玻璃薄膜。
2.根据权利要求1所述的具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜，其特征在于，交替沉积的单个组元层薄膜厚度均为5nm，薄膜总层数大于200层，薄膜总厚度大于1μm。
3.根据权利要求2所述的具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜，其特征在于，单个组元层合金元素的Cu元素含量为37at.％～57at.％，Ta元素含量为43at.％～63at.％。
4.根据权利要求3所述的具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜，其特征在于，所述具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜的硬度高达8.4GPa。
5.根据权利要求1～4任一项所述的具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：选取单质靶材Cu靶材和Ta靶材，将选好的单质靶材Cu靶材和Ta靶材放在沉积室的1、2号直流溅射靶腔内固定好，将沉积室内部抽真空；
S2：将基底安装至沉积室内的三爪卡盘上，并调整基底与靶材之间的间距；
S3：充入氩气，调节氩气流量控制沉积室的初始气压，设置偏压电源功率清洗基底；调节氩气流量控制沉积室的预溅射气压，设置1、2号直流溅射靶腔功率进行预溅射；
S4：控制基底旋转电机的转速，调节1、2号靶腔功率，进行溅射，第一层溅射完毕关闭靶腔挡盖，等待10～15s；调节1、2号靶腔功率，再次打开靶腔挡盖进行溅射，第二层溅射完毕关闭靶腔挡盖，再次等待10～15s；重复之前的步骤交替沉积，直至全部沉积完成，真空冷却至常温，即得。
6.根据权利要求5所述的具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中沉积室内部真空抽至低于1.0×10-4Pa；所述Cu靶材和Ta靶材的纯度高于99.99％。
7.根据权利要求6所述的具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S2中基底为(100)取向的单晶硅，尺寸为2inch*0.4mm，单面抛光，电阻率小于0.1Ω·cm；基底与靶材之间的间距为88～138mm。
8.根据权利要求7所述的具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S3中初始气压为4～8Pa，偏压电源功率为30～50W，清洗时间为5～10min；预溅射气压为0.3Pa，1、2号直流溅射靶腔功率为30～50W，预溅射时间为10～15min。
9.根据权利要求8所述的具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S4中1、2号靶腔功率分别为25W～87W和100W，共溅射镀率为0.1819nm/s～0.3194nm/s；旋转电机的转速10～30r/min；冷却时间为1～3h。
10.根据权利要求9所述的具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜的制备方法，其特征在于，所述氩气的纯度高于99.999％。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311095164.2A CN117107204A (zh) | 2023-08-29 | 2023-08-29 | 一种具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311095164.2A CN117107204A (zh) | 2023-08-29 | 2023-08-29 | 一种具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117107204A true CN117107204A (zh) | 2023-11-24 |
Family
ID=88797981
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311095164.2A Pending CN117107204A (zh) | 2023-08-29 | 2023-08-29 | 一种具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117107204A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117904581A (zh) * | 2024-03-15 | 2024-04-19 | 中南大学 | 一种高强韧纳米多层金属复合材料及其梯度界面设计方法 |
-
2023
- 2023-08-29 CN CN202311095164.2A patent/CN117107204A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117904581A (zh) * | 2024-03-15 | 2024-04-19 | 中南大学 | 一种高强韧纳米多层金属复合材料及其梯度界面设计方法 |
| CN117904581B (zh) * | 2024-03-15 | 2024-06-14 | 中南大学 | 一种高强韧纳米多层金属复合材料及其梯度界面设计方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7480098B2 (ja) | 改善された熱安定性を示すチタン－アルミニウム－タンタルベースの被覆物 | |
| CN103215555B (zh) | 一种采用共溅射法制备非晶-纳米晶复合膜的方法 | |
| US5405458A (en) | Method of producing hard film of Ti-Si-N composite material | |
| WO2005012591A1 (ja) | スパッタリングターゲット及びその製造方法 | |
| CN117107204A (zh) | 一种具有高硬度与高变形能力的层状纳米金属玻璃薄膜及其制备方法 | |
| CN110846617B (zh) | 一种铜锆铝三元非晶合金薄膜及其制备方法 | |
| CN111441026A (zh) | 一种双相结构高熵合金的制备方法 | |
| CN111471957A (zh) | 一种多层异质结构高熵合金的制备方法 | |
| JP5424868B2 (ja) | 硬質材料被覆、および基材上の多機能性硬質材料被覆の製造法 | |
| Yang et al. | TiN films fabricated by reactive gas pulse sputtering: A hybrid design of multilayered and compositionally graded structures | |
| Lee et al. | (AlCrNbSiTi) N/TiN multilayer films designed by a hybrid coating system combining high-power impulse magnetron sputtering and cathode arc deposition | |
| Tu et al. | Structure, composition and mechanical properties of reactively sputtered (TiVCrTaW) Nx high-entropy films | |
| CN106756833B (zh) | 一种高硬度TiCrN/TiSiN纳米多层结构涂层及其制备方法 | |
| Asgary et al. | Evolution of Structural, Morphological, Mechanical and Optical properties of TiAlN coatings by Variation of N and Al amount | |
| CN108588646B (zh) | 一种制备塑性提高的非晶/非晶纳米多层薄膜的方法 | |
| WO2020094882A1 (en) | Cubic al-rich altin coatings deposited from ceramic targets | |
| CN113652660B (zh) | 一种多元难熔金属掺杂纳米多层结构Ni基薄膜及其制备方法和应用 | |
| Yadav et al. | Synthesis of quasicrystalline film of Al–Ga–Pd–Mn alloy | |
| CN113802100A (zh) | 一种调控非晶/非晶纳米多层膜加工硬化能力的方法 | |
| CN114875371B (zh) | 一种纳米结构高熵超合金及其制备方法 | |
| CN113817984B (zh) | 纳米多层复合陶瓷涂层及其制备方法和应用 | |
| Bakhtiari et al. | The Methods of Quasicrystals Producing | |
| CN112877641B (zh) | 一种Ti-Mg纳米多层合金薄膜及其制备方法 | |
| CN114318232B (zh) | 包覆Al的Al3Ti金属间化合物纳米颗粒及其制备方法 | |
| Shankernath et al. | Growth and properties of nanocrystalline TiN—amorphous Si3N4 composite thin films deposited on IN718 and phynox alloy substrates |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |