一種採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法
2023-04-30 14:54:21
一種採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法
【專利摘要】本發明公開了一種採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法，其是將磁控濺射沉積態的納米晶NiW合金薄膜置於真空退火爐中低溫退火製備出近乎完全非晶化的NiW合金薄膜。該方法簡單、易行，避免了傳統金屬非晶材料製備方法所需的極大的淬火速度。該方法採用可靠的真空退火和雙靶磁控濺射技術，可重複性高，可操作性強，成本低，易於在工業上實現和推廣。
【專利說明】—種採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於合金薄膜【技術領域】，涉及一種非晶NiW合金薄膜，尤其是一種採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法。
【背景技術】
[0002]非晶金屬材料，又稱金屬玻璃，其內部結構具有無定型特點，即原子排列不具備長程有序性，內部沒有位錯、晶界等晶體結構缺陷。故與晶體材料相比，金屬玻璃具有許多獨特的性能，如:金屬玻璃具有與金屬多晶材料相當的彈性模量，卻擁有比金屬多晶材料更高的室溫強度，以及接近理論值的壓縮強度、良好的彈性性能(彈性極限應變約2%)，同時還具有良好的軟磁性能、耐腐蝕和耐磨性能等。其研究成果已被廣泛應用於微機電系統(MEMS )、納機電系統(NEMS )器件、信息器件、傳感器件等高新領域的研發和設計。[0003]傳統的非晶金屬材料製備均通過非平衡處理技術達成，主要包括:快速凝固化處理(RSP)，機械合金，等離子處理，氣相沉積和噴射沉積等。其基本原理為「激活和淬火」，即先通過某種方法給材料提供大量能量，使其內部結構遠離平衡態，然後快速淬火使其內部結構停留在亞穩態。該技術的關鍵和難點是獲得極大的淬火速率(~Κ^-ΙΟ--1)。而我們通過對磁控濺射沉積製備的納米晶NiW合金薄膜低溫退火製備出非晶NiW合金薄膜。此法避免了極大的淬火速度，簡單易行，成本低，豐富了非晶金屬材料的製備方法。對文獻的進一步檢索和分析，至今尚未發現和本發明技術主題相同或相似的報導。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供一種採用低溫退火製備非晶Niff合金薄膜的方法，該方法通過將磁控濺射沉積製備的納米晶NiW合金低溫真空退火，製備出近乎完全非晶化的NiW合金薄膜。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:
[0006]這種採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法，將納米晶NiW合金薄膜置於真空退火爐中，通過低溫退火製備非晶NiW合金薄膜。
[0007]上述納米晶NiW合金薄膜磁控濺射共沉積製備所得。
[0008]上述納米晶NiW合金薄膜及非晶NiW合金薄膜成份均為Ni77W2315
[0009]進一步的，上述的採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法，具體包括以下步驟:
[0010]I)將單面拋光單晶矽基片分別用丙酮和酒精超聲30分鐘，吹乾，放入真空磁控濺射設備的可旋轉基體支撐架上，準備鍍膜；
[0011]2)將Ni金屬源靶材安置在A號靶材座上作為A號靶，並將W金屬源靶材安置在B號靶材座上作為B號靶，工作時，首先將基體旋轉按鈕打開，轉速為I圈/分鐘，然後真空室抽真空，通入Ar氣至真空室；開始共沉積，通過調節電流、電壓來改變濺射功率控制Ni和W的原子配比，調節沉積時間來控制薄膜厚度，這樣同時沉積並製備出納米晶NiW合金薄膜；[0012]3)將磁控濺射沉積製備的納米晶NiW合金薄膜置於退火爐中，然後將爐中氣壓抽至lX10_3Pa，調節退火溫度至473K，設置退火時間為I小時，退火結束後爐冷至室溫。[0013]進一步的，上述步驟2)中，所述真空室抽真空至氣壓為5X10_4Pa，然後真空室內通入Ar氣，使氣壓為3X10^8。
[0014]進一步,上述步驟中,派射祀材的純度均大於99.95%。
[0015]進一步的，步驟2)中，所述A號靶選用直流脈衝電源，濺射功率為124W，沉積速率為 8_10nm/mino
[0016]進一步的，步驟2)中，所述B號靶選用直流脈衝電源，濺射功率為65W，沉積速率為l-2nm/min。
[0017]進一步的，共沉積時A號靶的直流磁控濺射電壓為325V出號靶的直流磁控濺射電壓為350V，負偏壓為100V，基體與靶材的距離為8-10cm。
[0018]進一步的，以上步驟中，通過調節電流、電壓來改變濺射功率控制Ni和W的原子配比，使其達到Ni77W2315
[0019]本發明與現有技術相比具有以下有益效果:
[0020]( I)本發明所述低溫退火法製備非晶NiW合金薄膜的方法，簡單，易行，避免了傳統非晶金屬材料製備方法所需的極大的淬火速度。
[0021](2)本發明所述低溫退火法製備非晶NiW合金薄膜的方法，製備的非晶NiW合金薄膜成份為Ni77W23 (at.%)，傳統非晶金屬材料製備方法難以製備該成份的非晶NiW合金。
[0022](3)本發明採用真空退火和雙靶磁控濺射技術，該技術可靠，可重複性高，可操作性強，成本低，易於在工業上實現和推廣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為磁控濺射沉積態納米晶NiW合金薄膜和退火態非晶NiW合金薄膜的能譜分析；
[0024]圖2為磁控濺射沉積態納米晶NiW合金薄膜，473K退火30分鐘(NiW3tlmin)和473K退火I小時(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的XRD分析；
[0025]圖3為磁控濺射沉積態納米晶NiW合金薄膜，473K退火30分鐘(NiW3tlmin)和473K退火I小時(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的截面TEM圖及其衍射分析；
[0026]圖4為磁控濺射沉積態納米晶NiW合金薄膜，473K退火30分鐘(NiW3tlmin)和473K退火I小時(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的高分辨截面TEM圖；
【具體實施方式】
[0027]本發明採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法，是將納米晶NiW合金薄膜置於真空退火爐中，通過低溫退火製備非晶NiW合金薄膜。所述納米晶NiW合金薄膜磁控濺射共沉積製備所得。所述納米晶NiW合金薄膜及非晶NiW合金薄膜成份均為Ni77W23 (at.%)。
[0028]本發明所採用的方法主要原理是:成份為Ni77W23 (at.%)的納米晶NiW合金，由於其亞穩態結構和接近Ni4W的成份，在低溫退火過程中，合金結構主體首先轉變為Ni4W相，同時在一些區域W原子富集，達到甚至超過了 NiW非晶相出現的固溶極限，從而在這些區域出現非晶相。隨著退火的進一步進行，非晶相的自由體積離域及其與納米晶相的交互作用，使合金整體非晶化。
[0029]本發明的方法具體包括下列步驟:
[0030]I)將單面拋光單晶矽基片分別用丙酮和酒精超聲30分鐘，吹乾，放入真空磁控濺射設備的可旋轉基體支撐架上，準備鍍膜； [0031]2)將Ni金屬源靶材安置在A號靶材座上作為A號靶，並將W金屬源靶材安置在B號靶材座上作為B號靶，濺射靶材的純度均大於99.95%。工作時，首先將基體旋轉按鈕打開，轉速設為I圈/分鐘，然後將真空室的氣壓抽至~5 X 10_4Pa,通入30sccm的Ar氣至真空室，使其工作氣壓為3X K^Pa。A號靶選用直流脈衝電源，濺射功率為124W，濺射電壓為325V，沉積速率為8-10nm/min ；B號靶也選用直流脈衝電源，濺射功率為65W，濺射電壓為350V，沉積速率為l-2nm/min ;負偏壓為100V，基體與靶材的距離為8_10cm。這樣同時沉積製備出納米晶NiW合金薄膜，通過調節沉積的時間可控制薄膜厚度。所述的基體，其沉積時環境溫度為室溫，約為290-300K。
[0032]3)將磁控濺射沉積製備的納米晶NiW合金薄膜置於退火爐中，然後將爐中氣壓抽至~1父10_午&，調節退火溫度至4731(，設置退火時間為I小時，退火結束後爐冷至室溫。
[0033]圖1為磁控濺射沉積態納米晶NiW合金薄膜和退火態非晶NiW合金薄膜的能譜分析，結果顯示，退火前後，NiW合金薄膜的成份無明顯變化，均為~Ni77W23 (at.%)。
[0034]圖2為磁控濺射沉積態納米晶NiW合金薄膜，473K退火30分鐘(NiW3tlmin)和473K退火I小時(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的XRD分析，結果表明，隨著退火時間的延長，薄膜非晶化程度加劇。磁控濺射沉積態NiW合金為標準的fee納米晶結構，即W原子固溶於fee的Ni基體中，其三強峰位置清晰可見，即(111)峰(2 Θ =43.31° )，(200)峰(2 Θ =50.13° )和(220) (2 Θ =74.42° )峰；經過30分鐘退火處理，晶體主體結構轉變為體心四方(bet)的Ni4W結構，其三強峰主體位置發生變化，Ni (W) (111)峰(2 Θ =43.31° )轉變為Ni4W(211)峰(2Θ=43.52。)，Ni (W) (200)峰(2 Θ =50.13。)轉變為 Ni4W (130) (2 Θ =50.34。)，而Ni (W) (220)峰(2 Θ =74.42° )沒有發生明顯變化，且峰強減弱、峰寬增大，說明非晶化可能已經發生；經過I小時退火處理，晶體主體結構已經轉變為非晶結構，三強峰均已消失，僅在2 Θ =43.52°峰位處有一非晶峰，說明非晶化程度已經比較完全。
[0035]圖3為磁控濺射沉積態納米晶NiW合金薄膜，473K退火30分鐘(NiW3tlmin)和473K退火I小時(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的截面TEM圖及其衍射分析。如圖3 Ca)和(d)所示，磁控濺射沉積態NiW合金為納米柱狀晶結構，膜平面方向晶粒尺寸約為10nm，膜生長方向晶粒尺寸幾十甚至上百納米，對應的選取衍射照片為明銳的納米晶衍射斑點；經過30分鐘退火處理之後，合金結構主體仍為納米柱狀晶，如圖3 (b)和(e)所示，然而有部分區域已經非晶化，對應的選區衍射照片已經出現光暈；經過I小時退火處理之後，合金主體結構已轉化為非晶結構圖3 (c)和(f)所示，對應的選區衍射僅存在少數晶體斑點，而絕大部分為非晶光暈。圖中紅色箭頭表示薄膜生長方向。
[0036]圖4為磁控濺射沉積態納米晶NiW合金薄膜，473K退火30分鐘(NiW3tlmin)和473K退火I小時(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的高分辨截面TEM圖。圖4 Ca)顯示，磁控濺射沉積態NiW合金薄膜為納米晶結構，晶格晶界清晰可見；而經過30分鐘退火處理，晶體內部出現局部非晶化，如圖4 (b)所示A區域；經過I小時退火處理之後，合金主體結構已幾乎完全非晶化，如圖4 (c)所示。[0037]以上說明本發明的方法可以成功製備出非晶NiW合金薄膜，同時，由於沉積速率和退火時間相對固定， 通過相關電腦程式的編寫與設定，便於實現工業化生產和推廣。
【權利要求】
1.一種採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法，其特徵在於，將納米晶NiW合金薄膜置於真空退火爐中，通過低溫退火製備非晶NiW合金薄膜。
2.根據權利要求1所述的採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法，其特徵在於，所述納米晶NiW合金薄膜磁控濺射共沉積製備所得。
3.根據權利要求1或2所述的採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法，其特徵在於，所述納米晶NiW合金薄膜及非晶NiW合金薄膜成份均為Ni77W2315
4.根據權利要求1、2或3所述的採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法，其特徵在於，具體包括以下步驟: 1)將單面拋光單晶矽基片分別用丙酮和酒精超聲30分鐘，吹乾，放入真空磁控濺射設備的可旋轉基體支撐架上，準備鍍膜； 2)將Ni金屬源靶材安置在A號靶材座上作為A號靶，並將W金屬源靶材安置在B號靶材座上作為B號靶，工作時，首先使基體旋轉，然後真空室抽真空，通入Ar氣至真空室；開始共沉積，通過調節電流、電壓來改變濺射功率控制Ni和W的原子配比，調節沉積時間來控制薄膜厚度，這樣同時沉積並製備出納米晶NiW合金薄膜； 3)將磁控濺射沉積製備的納米晶NiW合金薄膜置於退火爐中，然後將爐中氣壓抽至lX10-3Pa，調節退火溫度至473K，設置退火時間為I小時，退火結束後爐冷至室溫。
5.根據權利要求4所述的採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法，其特徵在於，步驟2)中，基體旋轉的轉速為I圈/分鐘；所述真空室抽真空至氣壓為5X 10_4Pa，然後真空室內通入Ar氣，使氣壓為3X10^8。
6.根據權利要求4所述的採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法，其特徵在於，濺射靶材的純度均大於99.95%。
7.根據權利要求4所述的採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法，其特徵在於，步驟2)中，所述A號靶選用直流脈衝電源，濺射功率為124W，沉積速率為8-10nm/min。
8.根據權利要求4所述的採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法，其特徵在於，步驟2)中，所述B號靶選用直流脈衝電源，濺射功率為65W，沉積速率為l-2nm/min。
9.根據權利要求4所述的採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法，其特徵在於，共沉積時A號靶的直流磁控濺射電壓為325V ；B號靶的直流磁控濺射電壓為350V，負偏壓為100V，基體與靶材的距離為8-10cm。
10.根據權利要求4所述的採用低溫退火製備非晶NiW合金薄膜的方法，其特徵在於，通過調節電流、電壓來改變濺射功率控制Ni和W的原子配比，使其達到Ni77W2315
【文檔編號】C23C14/35GK103628004SQ201310563319
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月11日 優先權日:2013年11月11日
【發明者】黃平, 王飛, 陳自強, 徐可為 申請人:西安交通大學