磁控溅射制备纳米晶
纳米晶体种类及其制备技术进展
纳米晶体种类及其制备技术进展摘要本文主要介绍了纳米晶体种类及其制备技术进展情况。
从总体和实例两部分，结合最近一段时间内国内外的研究进展，阐明了金属纳米晶体、金属氧化物纳米晶体、药物纳米晶体和一些其他纳米晶体的特征属性及制备方法，并对它们的性能做了简单的介绍。
纳米晶体有许多独特优异的性能，这些性能在实际应用方面存在巨大的潜力。
因此，本文对相关的纳米晶体的应用也进行了介绍。
随着纳米晶体制备技术的发展，纳米晶体的应用会更加广泛。
同时，本文也注意到，人们对纳米晶体材料的认识还处于实验驱动认识的阶段，还有很多领域有待开拓。
随着人们对纳米晶体认识的不断深入，纳米晶体材料的研究将向着多元化的方向发展。
第一章引言纳米材料是指组分尺寸至少在某一个维度上介于1～100nm之间的材料，是纳米科学的一个重要的发展方向。
纳米材料就其结构上可以分为纳米晶体、纳米颗粒、纳米粉末、纳米管等。
由于纳米材料的纳米尺寸效应，使得纳米材料出现了许多不同于常规条件下的材料性能，例如光学性、电导性、抗腐蚀性等，因此人们对纳米材料在未来材料领域的应用与发展寄予了很大期望。
但由于纳米材料在结构上存在表面效应和小尺寸效应，使其能量高于平衡态，表面上原子数增多，具有较高的表面能，使得这些表面原子具有较高的活性，非常不稳定。
满足一定激活条件时，就会释放出过剩自由能，粒子长大，从而也将失去纳米材料所具有的特性，使块状纳米材料的制备产生困难。
而纳米晶体由于晶界数量增加，使材料的强度、密度、韧性等性能大为改善[1]。
纳米晶体材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级的固态材料。
由于极细的晶粒，以及大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，纳米晶体材料与同组成的微米晶体材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。
本文将分类介绍有关纳米晶体在制备、性能、应用等方面的研究进展。
《磁控溅射制备非混溶系纳米晶Cu-Ta、Cu-Nb薄膜及其性能研究》范文
《磁控溅射制备非混溶系纳米晶Cu-Ta、Cu-Nb薄膜及其性能研究》篇一一、引言随着现代科技的快速发展，纳米材料因其独特的物理和化学性质在众多领域展现出巨大的应用潜力。
其中，非混溶系纳米晶薄膜因其优异的力学、电学及磁学性能，在微电子、传感器、磁存储等领域具有广泛的应用前景。
磁控溅射技术作为一种成熟的薄膜制备方法，具有制备过程简单、薄膜质量高、成分可控等优点，被广泛应用于制备非混溶系纳米晶薄膜。
本文将重点研究磁控溅射法制备的Cu-Ta和Cu-Nb非混溶系纳米晶薄膜的性能。
二、实验方法1. 材料选择与制备本实验采用磁控溅射法，选用高纯度的Cu、Ta和Nb靶材作为溅射源。
通过调整溅射功率、气氛压强、基底温度等参数，制备出不同成分比例的Cu-Ta和Cu-Nb非混溶系纳米晶薄膜。
2. 薄膜性能表征利用X射线衍射（XRD）分析薄膜的晶体结构；使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察薄膜的形貌和微观结构；利用四探针法测量薄膜的电导率；使用维氏硬度计测试薄膜的硬度；利用磁学测量系统分析薄膜的磁性能。
三、实验结果与讨论1. 薄膜结构与形貌XRD结果表明，通过磁控溅射法制备的Cu-Ta和Cu-Nb非混溶系纳米晶薄膜具有较高的结晶度。
SEM和TEM观察显示，薄膜表面平整，晶粒尺寸均匀，无明显缺陷。
2. 电学性能四探针法测量结果表明，Cu-Ta和Cu-Nb非混溶系纳米晶薄膜具有较高的电导率，且随着Ta或Nb含量的增加，电导率呈现一定的变化趋势。
这主要归因于薄膜中金属元素的电子结构和化学键合方式的改变。
3. 力学性能维氏硬度计测试结果显示，磁控溅射法制备的Cu-Ta和Cu-Nb非混溶系纳米晶薄膜具有较高的硬度，且硬度随成分比例的变化而变化。
这主要归因于薄膜中金属元素的原子间结合力和晶格结构的差异。
4. 磁学性能磁学测量系统分析表明，Cu-Ta和Cu-Nb非混溶系纳米晶薄膜在室温下具有较好的磁性能，如高饱和磁化强度、低矫顽力等。
磁控溅射法制备纳米铜膜及其电学性能研究
磁控溅射法制备纳米铜膜及其电学性能研究刘飞;朱昊;张勋泽;朴祥秀【摘要】实验通过控制镀膜温度、功率、压力和时间的工艺条件,采用磁控溅射法在玻璃基板表面沉积纳米Cu膜,利用XRD、SEM和四探针测试议测试分析研究了其晶体结构、形貌结构和电阻率.结果表明:随着镀膜温度的升高,薄膜内部晶界增多,导电性能基本无差异,膜层均匀性变好.镀膜功率与晶粒尺寸两者之间呈正线性关系.与之相反,随着镀膜压力的增加,晶粒尺寸有轻微减小趋势.镀膜功率和压力与膜层均匀性都成非线性关系.随着镀膜时间的增加,膜厚与之成线性关系增加,晶粒尺寸基本不变,电阻率有减小趋势.镀膜温度、功率、压力和时间对成膜择优取向无显著影响.%Nano copper ( Cu) films were prepared on glass substrates by using magnetron sputtering method. Different mor-phologies and properties can be got differ from deposition conditions (such as temperature, power, pressure and time). The films were investigated by X-ray diffraction ( XRD) , scanning electron microscopy ( SEM) , and four-point probe conductivity measure-ment (4P). The results show that, with increasing of temperature, the grain boundary is increased and the film uniformity is im-proved, but little change with conductivity. And the power is positively linearly related to grain size. On the contrary, the pressure is negatively liner to grain size. Both of them have nonlinear relationship with uniformity. With increasing of coating time, film thickness increases linearly, while the resistivity decreases. Temperature, power, pressure and time have no significant effect on film preferential orientation growth.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2018(037)006【总页数】7页(P23-29)【关键词】薄膜晶体管;磁控溅射;铜膜;电阻率;择优取向;工艺条件【作者】刘飞;朱昊;张勋泽;朴祥秀【作者单位】合肥京东方光电科技有限公司, 安徽合肥 230012;合肥京东方光电科技有限公司, 安徽合肥 230012;合肥京东方光电科技有限公司, 安徽合肥 230012;合肥京东方光电科技有限公司, 安徽合肥 230012【正文语种】中文【中图分类】TB383薄膜晶体管(TFT)元器件作为平板显示器驱动电路的核心,控制着每个发光像素的闭合。
磁控溅射技术在类纳米材料制备中的应用研究
磁控溅射技术在类纳米材料制备中的应用研究概述磁控溅射技术是一种广泛应用于薄膜材料制备的技术。
在近年来的研究中，磁控溅射技术已经成功地制备了各种类纳米材料，如金属纳米晶、纳米块、纳米线和纳米玻璃等。
磁控溅射技术的优势在于可以控制薄膜的成分、结构和形态，并且可以较容易地制备兼具高物理性能和化学稳定性的类纳米材料。
技术介绍磁控溅射技术是一种利用外加磁场和惰性气体辅助的高能离子轰击金属或非金属靶材而形成薄膜的工艺。
在磁场控制下，靶材中的离子被轰击后，释放出束缚能量。
这些离子在真空中被加速，撞击到基板或其他表面上，并形成薄膜。
在这个过程中，惰性气体通常会协助放电，以保证真空环境下磁控离子的稳定性。
制备类纳米材料的过程是类似的，但需要控制溅射过程中的离子能量。
通过控制溅射过程中的离子能量，可以控制薄膜组成和结构的演变。
更重要的是，控制离子能量还可以实现比传统材料更高的物理性能和化学稳定性。
应用研究1.金属类纳米材料金属类纳米材料在制备过程中往往需要对难溶合金属进行纳米化处理。
磁控溅射技术可以实现难溶合金属纳米晶的准备，如Pt-Cu、Fe-Ni、Co-Pd等材料。
同时，对于单金属的制备，磁控溅射技术也可以制备各种形状的纳米材料，如金纳米晶、金纳米球、金纳米棒等。
2.半导体类纳米材料半导体类纳米材料由于拥有优异的物理、光学、电学等特性，对于电子学、光电子学和生物医学等方面具有广泛应用。
磁控溅射技术可以实现半导体材料的制备，如ZnO、CuO、NiO等材料，并可以制备出各种形状的纳米材料。
3.复合类纳米材料复合类纳米材料是由两种或多种不同类型的材料组成。
通过磁控溅射技术，可以控制复合类纳米材料的成分、结构和形态。
如制备铜-铝、钴-铝、铜-锡等复合纳米材料，并通过控制制备条件改变复合材料的结构。
总结磁控溅射技术在类纳米材料制备方面具有广泛的应用前景。
通过控制制备条件和实验参数，可以得到不同种类和形状的类纳米材料，对于理论研究和工程应用都具有重要意义。
利用磁控溅射制备纳米金属薄膜的研究--论文答辩
对样品进行比照，可以直观的看出，气压越 高所成的膜越薄；功率越大，所成膜越厚；溅 射时间越长，所成膜越厚。符合镀膜特征规律。 并且相同条件下Ti膜的透射率优于Cu膜，Cu膜 的反射率优于Ti膜。
反射率测定实验
高压汞灯
反射膜
450
光电管
光电管
结构原理图
Cu膜表面的光的反射率
入射光波长λ(nm) 入射光电流(10-10A) 反射光电流(10-10A)
一、研究背景及研究意义
材料、信息科学技术与能源称为现代人类文明的三大 支柱，是新技术革命的支柱与先导 。在特殊形态材料领 域里，如在太阳能利用、传感器、微电子、光学、信息 等科学技术领域中，薄膜技术都得到了广泛的应用。目 前薄膜科学技术正在日新月异地向前发展。薄膜技术既 是综合性的应用科学，又涉及到许多跨学科的理论基础 ，特别是近年世界薄膜产业飞速崛起，因而对薄膜材料 的研究既具很强的理论意义又有广泛的应用价值。
时间（min） 60 60 60 60 60 60 10 30 50
实验条件(Ti膜)
气压（Pa） 2.0 1.0 0.5 0.5 0.5 0.5 1.0 1.0 1.0
功率（W） 50 50 50 20 30 50 50 50 50
时间（min） 60 60 60 60 60 60 30 50 70
二、薄膜的制备
制备薄膜有两种沉积方法，第一种为物理气相沉积法 (PVD)；第二种为化学气相沉积(CVD)法。我们实验中 使用的仪器是中国科学院沈阳科学仪器研制中心所生产 的磁控溅射设备，利用磁控溅射制备薄膜。磁控溅射制 备薄膜属于物理气相沉积。物理气相沉积法的基本原理 是，在真空条件下，将固态或液态物质采用一定的工艺 气化成气态原子、分子或者离子作为材料源，然后沉积 在基片表面，从而制成具有多种优良特性的薄膜技术。
磁控溅射法制备纳米晶钛薄膜工艺研究
５ ４ ・
材 料 导报 Ｂ： 研 究篇
２ ０ １ ３年 ３月 （ 下பைடு நூலகம் 第２ ７卷 第 ３期
磁 控 溅 射 法 制备 纳 米 晶钛 薄 膜 工艺 研 究
张 番 ， 刘 芳 ， 陈爱 英 。 ， 刘 颍 龙
（ １ 上海理工大学机械工程学 院 ， 上海 ２ ０ ０ ０ ９ ３ ； ２ 上海理工大学材料科学 与工程学 院 ， 上海 ２ ０ ０ ０ ９ ３ ）
同时钛 薄膜的取向也发生改 变， 表 现 出明显的（ ０ ０ ２ ） 织构 ； 随着温度 的升 高， 钛 薄膜 织构取 向发 生改 变， 当温度 为 ５ ０ ０ ℃时 ， 钛 薄膜被氧化 为一氧化 钛薄膜 。制成平整钛薄膜 的工艺条件 为 ： 背底 真 空度 ８ ． ８ ×１ ０ Ｐ ａ ， 溅射 功率 ２ ０ ０ Ｗ，
Ｔｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｆ ｂ ａ ｃ ｋ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｖ ａ ｃ ｕ ｕ ｍ ，ｓ ｐ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｓ ｕ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｎ ｔ ｈ ｉ ｎ ｆ ｉ ｌ ｍｓ ｗｅ ｒ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ． Ｅｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｄ ｅ ｎ ｓ ｅ ｎ ａ ｎ ｏ ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ ｌ ｉ ｎ ｅ ｔ ｉ ｔ ａ ｎ ｉ ｕ ｍ ｆ ｉ ｌ ｍｓ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ｐ ｒ ｅ ｐ ａ ｒ ｅ ｄ ｗｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｃ ｋ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｖ ａ ｃ ｕ ｕ ｍ ｉ ｓ ｈ ｉ ｇ ｈ ｅ ｒ ｔ ｈ ａ ｎ ８ ． ８ ×１ ０ 一 Ｐａ ， ｂ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅ ｔ ｉ ｔ ａ ｎ ｉ ｕ ｍ ｆ ｉ ｌ ｍｓ ａ ｒ ｅ ｏ ｘ ｉ ｄ ｉ ｚ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ ｔ ｉ ｔ ａ ｎ ｉ ｕ ｍ ｍｏ ｎ ｏ ｘ ｉ ｄ ｅ ｗｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｃ ｋ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｖ ａ ｃ ｕ ｕ ｌ ｉ ］ｉ ｓ ｌ ｏ ｗｅ ｒ ｔ ｈ ａ ｎ ２ ． ０ Ｘ １ ０ Ｐａ ．Ａｓ ｔ ｈ ｅ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ，ｔ ｈ ｅ ｇ ｒ ａ ｉ ｎ ｓ ｉ ｚ ｅ ｏ ｆ ｎ ａ ｎ ｏ ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ ｌ ｉ ｎ ｅ ｔ ｉ ｔ ａ ｎ ｉ ｕ ｍ ｆ ｉ ｌ ｍ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｌ ｙ， ｗｈ ｉ ｌ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｉ ｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｉ ｔ ａ ｎ ｉ ｕ ｍ ｆ ｉ ｌ ｍ ｉ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ（ ０ ０ ２ ）ｔ ｅ ｘ ｔ ｕ ｒ ｅ ． Ｔｈ ｅ ｔ ｅ ｘ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｒ ｉ ｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｉ ｔ ａ ｎ ｉ ｕ ｍ ｆ ｉ ｌ ｍ ａ ｌ ｓ ｏ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｓ ｗｉ ｔ ｈ
磁控溅射沉积 W-Ti薄膜的结构与性能
磁控溅射沉积 W-Ti薄膜的结构与性能摘要：本文研究了磁控溅射沉积W-Ti薄膜的结构与性能。
通过改变溅射功率和基板温度等制备参数，得到了不同结构的W-Ti薄膜，分别为晶粒致密型、多晶型和纳米晶型。
对其进行了物理和机械性能测试。
结果表明，晶粒致密型薄膜具有较高的硬度和弹性模量，多晶型薄膜具有较高的塑性，而纳米晶型薄膜具有较高的抗拉强度和硬度。
本研究为磁控溅射沉积W-Ti薄膜的应用提供了有价值的参考。
关键词：磁控溅射；W-Ti薄膜；晶粒致密型；多晶型；纳米晶型正文：一、研究背景随着材料科学技术的不断提高，对于高强度、高硬度以及高温稳定性的材料需求越来越大。
其中，W-Ti合金材料在高温和高强度环境下表现出了优异的性能，因此在航空、汽车、电子、能源等领域中得到了广泛的应用。
然而，W-Ti合金材料的高强度和高硬度也带来了加工和制备的难度。
磁控溅射沉积方法可以制备高质量的W-Ti薄膜，并能够控制其结构和性能。
二、实验方法采用磁控溅射沉积方法制备W-Ti薄膜，并通过改变溅射功率和基板温度等制备参数来制备不同结构的薄膜，分别为晶粒致密型、多晶型和纳米晶型。
对不同结构的薄膜进行了物理和机械性能测试，包括表面形貌观察、X射线衍射、扫描电子显微镜、原子力显微镜、纳米压痕实验等。
三、结果与分析1. 薄膜结构晶粒致密型薄膜表现出了较为均匀的表面形貌和致密的结构，晶粒大小约为10-20nm。
多晶型薄膜表现出了典型的多晶结构，晶粒大小约为50-100nm。
纳米晶型薄膜表现出了典型的纳米晶结构，晶粒大小约为10-20nm。
2. 薄膜性能晶粒致密型薄膜具有较高的硬度和弹性模量，分别为10.5GPa和200GPa。
多晶型薄膜具有较高的塑性，抗弯强度为200Mpa。
纳米晶型薄膜具有较高的抗拉强度和硬度，分别为1200Mpa和15GPa。
四、结论本文通过磁控溅射沉积方法制备了不同结构的W-Ti薄膜，并对其进行了性能测试。
结果表明，不同结构的薄膜具有不同的物理和机械性能。
磁控溅射(Ti,Al)N纳米晶薄膜的结构和性能
磁控溅射(Ti,Al)N纳米晶薄膜的结构和性能贺春林;高建君;张金林;王苓飞;李蕊;解磊鹏;马国峰;王建明【摘要】通过在N2气氛和600℃基体温度下交替溅射Ti和Al靶并通过沉积过程中Ti和Al原子间的互扩散制备了(Ti,Al)N纳米晶薄膜.采用场发射扫描电镜、X 射线衍射和纳米压痕技术研究了薄膜的微结构和力学性能.结果表明,(Ti,Al)N膜具有细小、致密和光滑的表面结构.在交替沉积过程中Ti原子会被较小的Al原子取代,形成面心立方结构的(Ti,Al)N薄膜,并存在(200)面择优取向.与TiN薄膜相比,(Ti,Al)N薄膜的晶粒尺寸和晶格常数均有所下降;(Ti,Al)N薄膜的硬度H明显提高,而弹性模量E却稍有降低,其结果使H3/E2比值大幅提高,薄膜的抗塑性变形能力增强.(Ti,Al)N纳米晶薄膜的高性能主要归因于固溶强化机制.【期刊名称】《沈阳大学学报》【年(卷),期】2015(027)003【总页数】5页(P173-176,184)【关键词】(Ti,Al)N;纳米晶薄膜;反应溅射;微结构;力学性能【作者】贺春林;高建君;张金林;王苓飞;李蕊;解磊鹏;马国峰;王建明【作者单位】沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁沈阳 110044;沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁沈阳 110044;沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁沈阳 110044;沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁沈阳 110044;沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁沈阳 110044;沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁沈阳 110044;沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁沈阳 110044;沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室,辽宁沈阳 110044【正文语种】中文【中图分类】TB174TiN薄膜因具有高硬度、高耐磨性和化学稳定性而广泛应用于机械加工刀具和模具的耐磨防护涂层[1].通常,TiN薄膜采用离子镀和磁控溅射等物理气相沉积方法制备,其力学和腐蚀性能取决于膜结构,而膜结构又与制备工艺密切相关[2-5].尽管TiN薄膜一直占据着主导位置,但由于TiN在高于500℃时会快速氧化,因而极大地限制了其应用领域.为了改进TiN膜的抗氧化性能,人们采用合金化的方法制备了三元化合物(Ti,Al)N[6-7],由于可在其表面形成一层致密、高结合强度的Al2O3层,因此(Ti,Al)N涂层的抗氧化温度可由500℃提高到925℃[8]68.同时,合金化还有利于提高薄膜的力学性能,如明显改进硬度,维持高的断裂韧性和膜基结合力等[9].本文通过在N2气氛和600℃基体温度下交替溅射Ti和Al靶并通过沉积过程中Ti和Al原子间的互扩散制备了(Ti,Al)N纳米晶薄膜,并对其结构和力学性能进行了研究.试样基体为单面抛光的单晶Si(100)片和AISI 304不锈钢板.基体用丙酮和酒精依次超声波清洗除油,冷风吹干后装入真空室准备镀膜.磁控溅射设备采用中科院沈阳科学仪器有限公司生产的JGP 450三靶磁控溅射镀膜系统.靶材为直径60mm的高纯Ti靶(99.99 %,质量分数)和高纯Al靶(99.999%,质量分数).开始溅射前,先将腔体的本底压强抽到0.6mPa后,通入高纯氩气(99.999%,质量分数),溅射Ti靶10min以获得Ti薄层用于改善界面结合强度,然后再通入高纯氮气(99.999%,质量分数),其中氩气和氮气的流量分别为30和4mL/min,Ti靶(DC)电流0.2A,Al靶(RF)功率150W,负偏压-70V,基体温度600℃,工作气压0.5Pa,通过计算机控制靶材挡板的打开时间来交替沉积TiN和AlN薄膜,Ti和Al靶溅射时间均为7s,周期数为300;TiN单层膜的沉积时间为1h.采用场发射扫描电镜(S 4800 FESEM)分析表面和断面形貌,用Bede-D1型X射线衍射仪(XRD)对样品进行物相分析,X射线源为CuKα(λ=0.154056nm)射线,扫描范围30°~90°.用MTS XP纳米压痕仪测量薄膜的硬度和弹性模量,用Berkovich三棱锥金钢石压头,最大载荷选用1.5mN以确保压痕深度/膜厚比值小于1/7以避免基体对测量的影响.纳米压痕实验进行5次,取平均值,以确保数值重现性.图1为不同偏压下沉积的TiN和(Ti,Al)N薄膜FESEM表面形貌.与相同条件下沉积的TiN薄膜相比,(Ti,Al)N薄膜表面更为均匀、光滑、致密,缺陷也更少些.这是因为采用了适中的负偏压(-70V)和高的沉积温度(600℃),能够确保表面吸附原子的迁移率足够大而反溅射作用不明显[10].由图1可见,薄膜组织非常细,TiN和(Ti,Al)N薄膜均属于纳米结构薄膜.图2为薄膜的横截面FESEM形貌,由图可见,TiN和(Ti,Al)N薄膜都具有柱状晶结构,这也是磁控溅射TiN和(Ti,Al)N薄膜的典型结构[11-12].TiN和(Ti,Al)N薄膜厚度分别为338和293nm.假如TiN单层的沉积速率不变,而且在薄膜制备过程中,Ti和Al原子间不存在扩散过程,那么,计算出的(Ti,Al)N薄膜中TiN和AlN单层厚度分别为0.66和0.32nm.事实上,在600℃高温沉积过程中Ti和Al原子间的互扩散过程不可避免.由于TiN和AlN单层厚度非常薄,因此通过本文所采用的在N2气氛和600℃基体温度下交替溅射Ti和Al靶,是完全可能制备出(Ti,Al)N薄膜(不是TiN/AlN多层膜)的.图3为TiN和(Ti,Al)N纳米薄膜的XRD图谱. 图谱中的43.6°,44.3°,50.7°,64.6°和82.3°衍射峰为AISI 304基体,在36.3°,42.3°,61.5°,74.3°和77.7°衍射峰分别对应TiN的(111),(200),(220),(311)和(222)晶面, 其中的择优取向为(200)晶面. 由图3可看出,(Ti,Al)N纳米薄膜的XRD图谱与TiN薄膜几乎完全相同, 只是其峰位稍有右移[8]73. 文献[13]认为这些峰对应的是(Ti,Al)N薄膜. 这表明Al原子取代了TiN晶格中的Ti原子形成了(Ti,Al)N固溶体.由布拉格方程2dsinθ=λ可知,衍射角增大则晶面间距d将减小,于是,基于(111)面计算出的晶格常数a=30.5d也将变小.表1给出了晶格常数计算结果.由于金属Al 的原子半径(rAl=0.143nm)小于Ti(rTi=0.146nm),在600℃高温的成膜过程中,Ti 和Al原子间的互扩散导致Al原子取代了TiN晶格中的部分Ti原子,形成了(Ti,Al)N固溶体,其结果使(Ti,Al)N纳米薄膜的晶格常数a减小[8]67.理论上,对所有具有B1 NaCl-型fcc结构的过渡金属氮化物,它们的(200)面具有最低的表面自由能[14],因此薄膜具有强的(200)晶面择优取向.在薄膜生长过程中,织构的演变实际上与表面能和应变能的竞争有关.在总能量中当表面能为主时,薄膜沿(200)面生长;而当应变能为主时,薄膜沿(111)面生长[15].本文中,当Al原子进入TiN晶格中后,会导致部分Ti原子被更小的Al原子取代,引起TiN晶格畸变,结果导致应变能增加.于是,(200)面择优取向强度下降,与此同时,(111)面取向则有所增加(见图3).根据X射线衍射理论,晶粒尺寸在100nm以下时,衍射峰的宽度会随着晶粒尺寸的减小而变宽,薄膜的晶粒尺寸可由Debye-Scherrer 公式计算得出:式中:D为晶粒尺寸(nm);K为常数(K=0.91);λ为入射X射线的波长(nm);β为衍射峰的半高宽(Rad);θ为布拉格角(°).对(111)晶面,由式(1)计算得到的TiN和(Ti,Al)N纳米薄膜的晶粒尺寸分别为11.3和9.1nm(见表1),这表明Al原子取代TiN晶格中的部分Ti原子后,薄膜的晶粒尺寸稍有减小.TiN和(Ti,Al)N纳米薄膜具有细小的晶粒尺寸是由于高能撞击离子进入TiN致密膜的晶格中,所形成的大量缺陷会增加择优形核点数量,导致晶粒细化[16].采用纳米压痕仪测得的TiN和(Ti,Al)N纳米薄膜的硬度和弹性模量列于表1.由表1可见,Ti原子被更小的Al原子取代后会导致薄膜的H由(25.8±1.9)GPa增加到(30.0±2.2)GPa,而E则由(322.9±20.0)GPa降到(311.1±23.5)GPa.(Ti,Al)N纳米薄膜的高力学性能归因于如下机制:①晶粒细化机制.由于TiN和(Ti,Al)N纳米薄膜的晶粒尺寸仅为9.1~11.3nm(表1),根据Hall-Petch方程,TiN和(Ti,Al)N薄膜会显示出高的力学性能.但由于TiN和(Ti,Al)N薄膜的晶粒尺寸差别不大,因此Hall-Petch方程不能解释为何TiN和(Ti,Al)N薄膜的硬度存在较大差异.②固溶硬化机制[8]68.Ti被更小的Al原子取代会诱导晶格应变,结果会导致硬度增加.固溶硬化是导致(Ti,Al)N比TiN纳米薄膜具有更高硬度的主要因素.文献[17-18]报道,硬度和弹性模量具有类似的行为,即硬度大的涂层其弹性模量也大.本文的实验结果与文献[17-18]不一致,但与文献[19]相似.文献[19]认为,纳米层状CrTiAlN薄膜尽管硬度与TiN薄膜相近但比CrN更高,但其弹性模量却比TiN和CrN薄膜都低.与TiN薄膜相比,(Ti,Al)N纳米薄膜有更高的硬度和更低的弹性模量,意味着(Ti,Al)N薄膜具有更高的H3/E2比(见表1).通常,可用硬度和弹性模量比H3/E2来表征薄膜的韧性,该比值越高,表明薄膜的抵抗塑性变形能力也越高[20-21].由表1可见,本文所制备的(Ti,Al)N纳米薄膜的H3/E2比为0.28GPa,比TiN薄膜的0.17GPa提高了64.7%.这表明(Ti,Al)N纳米薄膜的抗开裂能力得到了大幅提高.通过在N2气氛、600℃基体温度下交替溅射Ti和Al靶并通过沉积过程中Ti和Al原子间的互扩散制备了(Ti,Al)N纳米晶薄膜.(Ti,Al)N膜组织细小、致密和光滑,具有明显的柱状晶结构.在交替沉积过程中Ti原子会被较小的Al原子取代,形成面心立方结构的(Ti,Al)N薄膜,其择优取向为(200)面.与同条件下形成的TiN薄膜相比,(Ti,Al)N薄的晶粒尺寸稍有减小,为9.1nm,晶格常数也有所下降;(Ti,Al)N薄膜的硬度明显提高,而弹性模量却稍有下降,其结果使H3/E2比值大幅提高,表明该薄膜具有更高的抵抗塑性变形能力.(Ti,Al)N纳米晶薄膜的强化效应主要归因于固溶强化机制.【相关文献】[1] Musil J, Vlcek J. 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二、纳米晶
2.1纳米晶的定义
具有纳米级超细晶组织的材料
2.2 纳米效应
1.体积效应
由于粒子尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化 称为体积效应。
2.量子尺寸效应
当离子尺寸达到纳米量级时，金属费米能及附近 的电子能级由准连续变为分立能级的现象称为量子尺寸 效应。
3.表面效应 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总 原子数之比随着粒径减小而增大后而引起的性质 上的改变。 4.宏观量子隧道效应 微观粒子具有的穿越势垒的能力称为隧道
磁控溅射制备纳米纯金属简介
• 一、溅射法
1.1 溅射法定义分类及特点 1.2 辉光放电与等离子体 1.3 直流 2.2 纳米效应
• 三、研究进展 • 四、纯金属磁性
1.1 溅射法定义分类及特点
溅射法
利用带电离子在电磁场的作用下获得足 够的能量，轰击固体（靶）物质，从靶 材表面被溅射出来的原子以一定的动能 射向衬底，在衬底上形成薄膜。 直流溅射
8 Ge
• 研究内容： 用磁控溅射和退火方法制备多层锗纳米 晶 结论： 退火的样品中有Ge纳米晶形成
9 Cu
• 研究内容： 纳米Cu粒子的制备及其微观结构 • 结论： 利用磁控溅射与液氮冷凝相结合制备的 Cu颗粒呈球状，其统计尺寸基本符合正态 分布规律
四、纯金属的磁性
• 到目前为止,仅有四种金属元素在室温以上 是铁磁性的，即铁、钴、镍和钆。 居里温度分别为：铁768℃,钴1070℃,镍 376℃,钆20℃。 • 极低低温下有五种元素是铁磁性的，即铽、 镝、钬、铒和铥。
形成辉光放电。
辉光放电过程中，将产生Ar离子， 阴极材料原子，二次电子，光子 等。
电极 等离子体 真空室
匹配部件
RF 发生器
高真空泵
• 等离子体 等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体， 包含中性原子或分子、原子团、带电离子和自由 电子。 • 作用： 1、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大 部分能量
4 Ti
• 研究内容： 纳米晶钛薄膜的制备及结构分析 • 结论： 基片预热温度对膜特性有一定影响,较高 的温度有利于提高膜的致密程度,晶粒择优 取向程度降低。
5 Al
• 研究内容: 磁控溅射Al 膜的 性能分析及其制备工 艺研究 • 结论： 溅射功率和溅射时间对铝膜表面粗糙度 有影响,通过延长溅射时间或提高溅射功率 可使膜的平均颗粒直径增大。
效应，人们发现一些宏观量,例如微粒的磁化强 称为宏观量子隧道效应。
度﹑量子相干器件中心的磁通量也具有隧道效应，
三、研究举例
• 1、Ni • 研究内容： （1）纯Ni 及其溅射纳米晶涂层在700 ~ 900°C的氧化行为 结论：纳米晶纯Ni 的氧化增重高于纯Ni, 即 经溅射纳米化纯Ni的氧化速率变快。
（2） 纯镍纳米晶体的晶格膨胀 结论： 1) 高频溅射制得的纯Ni纳米晶体的晶格点 阵常数大于Ni单晶体的点阵常数，表现出明 显的晶格膨胀，随晶粒尺寸减小晶格膨胀 显著增大. 2)纳米晶体的晶格膨胀可以用纳米晶体的 热学状态进行解释，纳米晶体的晶格畸变 或膨胀，可能是纳米晶体表现出一些优异 性能的主要原因之一。
2、通过等离子刻蚀选择性地去处金属
1.3 直流二极溅射
一、溅射的产额：
被溅射出来的原子个数与 入射离子数之比。它与入
射能量，入射离子种类，
溅射物质种类及入射离子 的入射角度有关。
图3.7
二、溅射沉积装置
直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）
气体离子
二次电子
靶材离子
• 工作原理：
• 当加上直流电压后，辉光放电开始，正离子打击靶面，靶
7
Cr
• 研究内容： 基于磁控溅射离子镀技术的不同晶态纯Cr薄膜 微观组织结构研究 • 结论： 参数的改变均会通过影响纯Cr薄膜沉积生长 过程中的表面扩散能力和体扩散能力进而决定纯 C r薄膜的微观组织结构; 在进行纳米薄膜材料的 研发时, 于溅射环境下匹配恰当的电场参量, 即可 获得各种期望结构- 性能的薄膜。
材表面的中性原子溅射出，这些原子沉积在衬底上形成薄
膜。 • 在离子轰击靶材的同时，也有大量二次电子从阴极靶发射
出来，被电场加速向衬底运动，在运动过程中，与气体原
子碰撞又产生更多的离子，更多的离子轰击靶材又释放出 更多的电子，从而使辉光放电达到自持。
1.4 磁控溅射
产生：上世纪70年代。目前已在工业生产中应用。 原因：高速、低温、低损伤 特点：在阴极靶面上建立一个环形磁场以控制二次 电子的运动。 分类：柱状靶、平面靶、锥面靶
磁控溅射装置
磁控溅射特性
• 磁场的作用使电子不再做平行直线运动，而是围绕磁力线
做螺旋运动，这就意味着电子的运动路径由于磁场的作用 而大幅度地增加，从而有效地提高了气体的离化效率和薄 膜的沉积速率。 磁控溅射比直流和射频溅射的沉积速率高很多。原因：
1、磁场中电子的电离效率提高 2、在较低气压下（0.1Pa)溅射原子被散射的几率减小 提高了入射到衬底上的原子的能量，从而提高薄膜 的质量。
6 U
研究内容： 磁控溅射制备金属铀膜 结论： 通过磁控溅射方法, 成功制备出氧与其它杂 质含量的单质金属铀薄膜, 铀薄膜表面光洁、 结构致密, 表面均方根粗糙度为nm 量级。溅射 铀镀层与铝镀层界面存在界面扩散与反应, 从 而形成UAl2和U Al3合金相, 扩散层厚度约10 nm, 50 nm Al 镀层对铀镀层具有良好的保护效 果。
参考文献：
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2 Au
• 研究内容：磁控溅射制备纳米厚度连续金 膜 • 结论：在20W功率条件下可实现纳米级厚 度表面粗糙度小于1nm的超光洁连续Au薄 膜可控生长。
3.Ag
• 研究内容： Ag 纳米粒子磁控溅射制备及其热稳定性研 究 • 结论：Ag 纳米粒子在空气中＜200℃下比 较稳定，在400℃左右会发生明显蒸发
磁控溅射 偏压溅射
溅射法的分类
射频溅射
反应溅射
• 溅射镀膜的特点 （1）任何待镀材料 （2）薄膜与基片结合较好 （3）薄膜纯度高，致密性好 （4）可重复性好，可大面积获得均匀薄膜
1.2 辉光放电和等离子体
辉光放电的物理基础
靶材是需要被溅射的物质，作为 阴极，相对阳极加数千伏电压，
在真空室内充入Ar气，在电极间