磁控濺射制備納米晶

1、 一、濺射法 1.1 濺射法定義分類(lèi)及特點(diǎn) 1.2 輝光放電與等離子體 1.3 直流二極濺射 1.4 磁控濺射 二、納米晶 2.1 納米晶定義 2.2 納米效應(yīng) 三、研究進(jìn)展 四、純金屬磁性1.1 濺射法定義分類(lèi)及特點(diǎn)n濺射法濺射法n利用帶電離子在電磁場(chǎng)的作用下獲得足利用帶電離子在電磁場(chǎng)的作用下獲得足夠的能量，轟擊固體（靶）物質(zhì)，從靶夠的能量，轟擊固體（靶）物質(zhì)，從靶材表面被濺射出來(lái)的原子以一定的動(dòng)能材表面被濺射出來(lái)的原子以一定的動(dòng)能射向襯底，在襯底上形成薄膜。射向襯底，在襯底上形成薄膜。n濺射法的分類(lèi)濺射法的分類(lèi)n直流濺射直流濺射 射頻濺射射頻濺射n磁控濺射磁控濺射 反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射n偏壓濺

2、射偏壓濺射 濺射鍍膜的特點(diǎn)濺射鍍膜的特點(diǎn)（1）任何待鍍材料）任何待鍍材料（2）薄膜與基片結(jié)合較好）薄膜與基片結(jié)合較好（3）薄膜純度高，致密性好）薄膜純度高，致密性好（4）可重復(fù)性好，可大面積獲得均勻薄膜）可重復(fù)性好，可大面積獲得均勻薄膜n靶材是需要被濺射的物質(zhì)，作為靶材是需要被濺射的物質(zhì)，作為 陰極，相對(duì)陽(yáng)極加數(shù)千伏電壓，陰極，相對(duì)陽(yáng)極加數(shù)千伏電壓， 在真空室內(nèi)充入在真空室內(nèi)充入Ar氣，在電極間氣，在電極間形成輝光放電。形成輝光放電。n輝光放電過(guò)程中，將產(chǎn)生輝光放電過(guò)程中，將產(chǎn)生Ar離子，離子，陰極材料原子，二次電子，光子陰極材料原子，二次電子，光子等。等。1.2 輝光放電和等離子體輝光放電和

3、等離子體輝光放電的物理基礎(chǔ)輝光放電的物理基礎(chǔ)真空室電極高真空泵等離子體RF 發(fā)生器匹配部件 等離子體等離子體 等離子體是一種中性、高能量、離子化的氣體，等離子體是一種中性、高能量、離子化的氣體，包含中性原子或分子、原子團(tuán)、帶電離子和自由包含中性原子或分子、原子團(tuán)、帶電離子和自由電子。電子。 作用：作用： 1、提供發(fā)生在襯底表面的氣體反應(yīng)所需要的大、提供發(fā)生在襯底表面的氣體反應(yīng)所需要的大 部分能量部分能量 2、通過(guò)等離子刻蝕選擇性地去處金屬、通過(guò)等離子刻蝕選擇性地去處金屬 一、濺射的產(chǎn)額：一、濺射的產(chǎn)額： 被濺射出來(lái)的原子個(gè)數(shù)與被濺射出來(lái)的原子個(gè)數(shù)與入射離子數(shù)之比。它與入入射離子數(shù)之比。它與入射

4、能量，入射離子種類(lèi)，射能量，入射離子種類(lèi)，濺射物質(zhì)種類(lèi)及入射離子濺射物質(zhì)種類(lèi)及入射離子的入射角度有關(guān)。的入射角度有關(guān)。1.3 直流二極濺射圖3.7二、濺射沉積裝置二、濺射沉積裝置直流濺射裝置及特性（只適用于靶材為良導(dǎo)體的濺射）直流濺射裝置及特性（只適用于靶材為良導(dǎo)體的濺射）氣體離子氣體離子靶材離子靶材離子二次電子二次電子 工作原理：工作原理： 當(dāng)加上直流電壓后，輝光放電開(kāi)始，正離子打擊靶面，靶當(dāng)加上直流電壓后，輝光放電開(kāi)始，正離子打擊靶面，靶材表面的中性原子濺射出，這些原子沉積在襯底上形成薄材表面的中性原子濺射出，這些原子沉積在襯底上形成薄膜。膜。 在離子轟擊靶材的同時(shí)，也有大量二次電子從陰極

5、靶發(fā)射在離子轟擊靶材的同時(shí)，也有大量二次電子從陰極靶發(fā)射出來(lái)，被電場(chǎng)加速向襯底運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，與氣體原出來(lái)，被電場(chǎng)加速向襯底運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，與氣體原子碰撞又產(chǎn)生更多的離子，更多的離子轟擊靶材又釋放出子碰撞又產(chǎn)生更多的離子，更多的離子轟擊靶材又釋放出更多的電子，從而使輝光放電達(dá)到自持。更多的電子，從而使輝光放電達(dá)到自持。產(chǎn)生產(chǎn)生：上世紀(jì)：上世紀(jì)70年代。目前已在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。年代。目前已在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。原因原因：高速、低溫、低損傷：高速、低溫、低損傷特點(diǎn)特點(diǎn)：在陰極靶面上建立一個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)以控制二次：在陰極靶面上建立一個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)以控制二次 電子的運(yùn)動(dòng)。電子的運(yùn)動(dòng)。分類(lèi)分類(lèi)：柱狀靶、平面

6、靶、錐面靶：柱狀靶、平面靶、錐面靶 磁場(chǎng)的作用使電子不再做平行直線運(yùn)動(dòng)，而是圍繞磁力線磁場(chǎng)的作用使電子不再做平行直線運(yùn)動(dòng)，而是圍繞磁力線做螺旋運(yùn)動(dòng)，這就意味著電子的運(yùn)動(dòng)路徑由于磁場(chǎng)的作用做螺旋運(yùn)動(dòng)，這就意味著電子的運(yùn)動(dòng)路徑由于磁場(chǎng)的作用而大幅度地增加，從而有效地提高了氣體的離化效率和薄而大幅度地增加，從而有效地提高了氣體的離化效率和薄膜的沉積速率。膜的沉積速率。 磁控濺射比直流和射頻濺射的沉積速率高很多。原因：磁控濺射比直流和射頻濺射的沉積速率高很多。原因： 1、磁場(chǎng)中電子的電離效率提高、磁場(chǎng)中電子的電離效率提高 2、在較低氣壓下（、在較低氣壓下（0.1Pa)濺射原子被散射的幾率減小濺射原子被

7、散射的幾率減小 提高了入射到襯底上的原子的能量，從而提高薄膜提高了入射到襯底上的原子的能量，從而提高薄膜 的質(zhì)量。的質(zhì)量。2.1納米晶的定義具有納米級(jí)超細(xì)晶組織的材料 2.2 納米效應(yīng) 1.體積效應(yīng) 由于粒子尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱(chēng)為體積效應(yīng)。2.量子尺寸效應(yīng) 當(dāng)離子尺寸達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，金屬費(fèi)米能及附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)榉至⒛芗?jí)的現(xiàn)象稱(chēng)為量子尺寸效應(yīng)。3.表面效應(yīng) 表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著粒徑減小而增大后而引起的性質(zhì)上的改變。4.宏觀量子隧道效應(yīng) 微觀粒子具有的穿越勢(shì)壘的能力稱(chēng)為隧道效應(yīng)，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量,例如微粒的磁化強(qiáng)度量子相干器件中心的磁通量也

8、具有隧道效應(yīng)，稱(chēng)為宏觀量子隧道效應(yīng)。 1、Ni 研究?jī)?nèi)容： （1）純Ni 及其濺射納米晶涂層在700 900C的氧化行為 結(jié)論：納米晶純Ni 的氧化增重高于純Ni, 即經(jīng)濺射納米化純Ni的氧化速率變快。（2） 純鎳納米晶體的晶格膨脹 結(jié)論： 1) 高頻濺射制得的純Ni納米晶體的晶格點(diǎn)陣常數(shù)大于Ni單晶體的點(diǎn)陣常數(shù)，表現(xiàn)出明顯的晶格膨脹，隨晶粒尺寸減小晶格膨脹顯著增大. 2)納米晶體的晶格膨脹可以用納米晶體的熱學(xué)狀態(tài)進(jìn)行解釋?zhuān){米晶體的晶格畸變或膨脹，可能是納米晶體表現(xiàn)出一些優(yōu)異性能的主要原因之一。 研究?jī)?nèi)容：磁控濺射制備納米厚度連續(xù)金膜 結(jié)論：在20W功率條件下可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)厚度表面粗糙度小于1

9、nm的超光潔連續(xù)Au薄膜可控生長(zhǎng)。 研究?jī)?nèi)容： Ag 納米粒子磁控濺射制備及其熱穩(wěn)定性研究 結(jié)論：Ag 納米粒子在空氣中200下比較穩(wěn)定，在400左右會(huì)發(fā)生明顯蒸發(fā) 研究?jī)?nèi)容： 納米晶鈦薄膜的制備及結(jié)構(gòu)分析納米晶鈦薄膜的制備及結(jié)構(gòu)分析 結(jié)論： 基片預(yù)熱溫度對(duì)膜特性有一定影響,較高的溫度有利于提高膜的致密程度,晶粒擇優(yōu)取向程度降低。 研究?jī)?nèi)容: 磁控濺射磁控濺射Al 膜的膜的 性能分析及其制備工性能分析及其制備工藝研究藝研究 結(jié)論： 濺射功率和濺射時(shí)間對(duì)鋁膜表面粗糙度有影響,通過(guò)延長(zhǎng)濺射時(shí)間或提高濺射功率可使膜的平均顆粒直徑增大。研究?jī)?nèi)容： 磁控濺射制備金屬鈾膜結(jié)論： 通過(guò)磁控濺射方法, 成功制

10、備出氧與其它雜質(zhì)含量的單質(zhì)金屬鈾薄膜, 鈾薄膜表面光潔、結(jié)構(gòu)致密, 表面均方根粗糙度為nm 量級(jí)。濺射鈾鍍層與鋁鍍層界面存在界面擴(kuò)散與反應(yīng), 從而形成UAl2和U Al3合金相, 擴(kuò)散層厚度約10 nm, 50 nm Al 鍍層對(duì)鈾鍍層具有良好的保護(hù)效果。 研究?jī)?nèi)容： 基于磁控濺射離子鍍技術(shù)的不同晶態(tài)純Cr薄膜微觀組織結(jié)構(gòu)研究 結(jié)論： 參數(shù)的改變均會(huì)通過(guò)影響純Cr薄膜沉積生長(zhǎng)過(guò)程中的表面擴(kuò)散能力和體擴(kuò)散能力進(jìn)而決定純C r薄膜的微觀組織結(jié)構(gòu); 在進(jìn)行納米薄膜材料的研發(fā)時(shí), 于濺射環(huán)境下匹配恰當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)參量, 即可獲得各種期望結(jié)構(gòu)- 性能的薄膜。 研究?jī)?nèi)容： 用磁控濺射和退火方法制備多層鍺納米晶結(jié)

11、論： 退火的樣品中有Ge納米晶形成 研究?jī)?nèi)容： 納米Cu粒子的制備及其微觀結(jié)構(gòu) 結(jié)論： 利用磁控濺射與液氮冷凝相結(jié)合制備的Cu顆粒呈球狀，其統(tǒng)計(jì)尺寸基本符合正態(tài)分布規(guī)律 到目前為止,僅有四種金屬元素在室溫以上是鐵磁性的，即鐵、鈷、鎳和釓。 居里溫度分別為：鐵768,鈷1070,鎳376,釓20。 極低低溫下有五種元素是鐵磁性的，即鋱、鏑、鈥、鉺和銩。1耿樹(shù)江等.純Ni 及其濺射納米晶的高溫氧化行為. 中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào).2003.23(6):335-338.2盧柯,劉學(xué)東,張皓月,胡壯麒. 純鎳納米晶體的晶格膨脹.金屬學(xué)報(bào).1995.31(2):74-78.3王春平等. Ag 納米粒子磁控濺射制備及其熱穩(wěn)定性研究.功能材料.2007.38:2059-2061.4易泰民等.磁控濺射制備納米厚度連續(xù)金膜. 原子能科學(xué)技術(shù).2010.24(4):479-483.5趙越等. 納米晶鈦薄膜的制備及結(jié)構(gòu)分析. 原子能科學(xué)技術(shù).2002.36(4/5):380-383.6何建梅等. 磁控濺射Al 膜的AFM 性能分析及其制備工藝研究. 物理實(shí)驗(yàn).2007.27(8):42-46.7易泰民