本发明属于材料制备技术领域，特别涉及一种提高非晶金属薄膜材料抗晶化能力的结构及其制备方法。
背景技术：
近年来非晶材料作为一种新的结构材料引起了人们的广泛重视。由于其在原子尺度上的长程无序以及缺少类似晶体中位错的晶格缺陷，非晶材料具有一些独特的性质：如高弹性应变极限，良好的抗腐蚀能力和超高的硬度等。近十年来，非晶材料的力学性能成为研究的热点：普遍认为非晶材料的力学行为受剪切带、剪切变形区域(stz)、自由体积或局域塑性变形影响。
材料在宏观上体现出的性能往往与其微观结构有着紧密而且直接的联系，非晶材料亦不例外。非晶优异的力学性能可归因于其无序排列的原子结构，若转化为晶体结构非晶就会失去优势，因此非晶的稳定性显得尤其重要。目前的研究认为非晶合金的力学性能受其结构稳定性影响(无论是块体态非晶或是非晶薄膜，都有可能在加热时发生晶化)。并且非晶材料在热力学上属于亚稳态，退火后有晶化的可能，力致变形或高压下处理也可能导致非晶材料的脆化和失效。因此，提高非晶材料在热致环境下的结构稳定性至关重要。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种提高非晶金属薄膜材料抗晶化能力的结构及其制备方法，以解决上述技术问题。本发明所制备非晶金属薄膜材料呈现非晶层上、下表面均由晶体层覆盖的结构。该工艺制备的薄膜结构致密，晶体非晶层界面层清晰。可以通过该方法制备抗晶化能力较强、稳定性强的非晶薄膜结构。同时，该方法采用了传统磁控溅射方法，成本低，可控性强，操作简单，易于实现和推广。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种提高非晶金属薄膜材料抗晶化能力的结构，包括非晶金属薄膜，非晶金属薄膜的下表面和上表面均覆盖有晶体层，形成三明治层状结构。
进一步的，晶体层为与非晶金属薄膜的元素不同的金属材料。
进一步的，晶体层材质与非晶金属薄膜的热膨胀系数差别不同。
进一步的，晶体层材质为钨或银，非晶金属薄膜材质为镍铌。
进一步的，非晶金属薄膜及其下表面和上表面覆盖的晶体层均采用磁控溅射方法制备。
进一步的，晶体层材质为钨，非晶金属薄膜材质为镍铌，形成w/ninb/w三明治层状结构；ninb非晶金属薄膜的厚度为600nm，两层钨晶体层的厚度均为60nm。
一种提高非晶金属薄膜材料抗晶化能力的结构的制备方法，包括以下步骤：
1)将基底清洁干净，放入超高真空磁控溅射设备基片台上；将需要溅射的金属靶材置于靶材底座上；
2)晶体层的制备采用连续沉积镀膜方式；得到晶体层后暂停设备，待到薄膜完全冷却，再进行非晶金属薄膜的制备；
3)非晶金属薄膜的制备采用间歇沉积方法，每沉积15～30分钟，暂停溅射5～10分钟，等待薄膜冷却，再进行下一非晶金属薄膜的制备，沉积速率为5-6nm/s；待到非晶层厚度达到预定值，则非晶金属薄膜制备完毕；
4)薄膜完全冷却后再以步骤2)中同样方法制备晶体层；最终得到三明治层状结构。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
非晶薄膜材料在横截面方向尺寸较小，其结构可参考纳米尺度下的二维材料。当材料的尺度减小到纳米甚至更小、更细微的维度时，其比表面积将会迅速增长。这时材料表面的性质将对材料整体的性能起到较大作用，本发明利用了薄膜材料的表面，对非晶材料的晶化行为进行干预。
本发明所采用的方法，主要原理是：非晶材料的晶化过程是原子重新排列、原子有序化的过程，该过程属热激活过程。在薄膜材料中，表面原子的扩散系数和跃迁频率比材料内部高数倍，因此在遮盖表面时可以有效地使原本位于表面的原子呈现与内部原子类似的性质，从而阻碍非晶材料和外界环境的能量传递过程，降低非晶材料晶化以及失稳的速度。
本发明制备的晶体覆盖非晶结构，与传统方法制备的非晶薄膜相比，有较高的抗晶化能力。
附图说明
图1为本发明制备的覆钨晶体层的ninb非晶结构示意图，即上述提到的“三明治”层状结构；
图2为ninb非晶退火态和覆钨晶体层的ninb非晶退火态xrd结构分析；
图3为ninb非晶退火态高分辨透射照片中选区电子衍射图谱分析视图；
图4为ninb非晶退火态的高分辨透射图像；
图5为覆钨晶体层的ninb非晶退火态界面tem图及其高分辨透射图分析视图。
具体实施方式
本发明一种提高非晶金属薄膜材料抗晶化能力的结构，包括非晶金属薄膜，非晶金属薄膜的下表面和上表面均覆盖有晶体层，形成三明治层状结构。本发明方法，利用磁控溅射技术，同时结合连续沉积和间歇沉积镀膜技术，制备晶体覆盖非晶金属薄膜材料，以提高非晶金属薄膜材料抗晶化能力。本实施例采用常见的金属钨作为溅射靶材，制备钨/镍铌/钨薄膜材料。需要说明的是，根据本发明所采用的制备方法，晶体层金属可以根据热膨胀系数采用其他材料；不局限于钨。为了说明本方法与常规磁控溅射工艺的差异，给出此种金属薄膜材料的制备工艺特点。
1、钨/镍铌非晶/钨(w/ninb/w)薄膜材料(三层)的具体工艺过程：
1)用金刚石刀将单面抛光的单晶硅基底切成所需尺寸，将硅基底浸没于丙酮中超声清洗15分钟，用吹风机烘干；再用乙醇超声清洗15分钟，烘干后安置于超高真空磁控溅射设备基底台上。
2)将金属w靶材和ninb非晶靶材分别安装在靶位上，关闭溅射舱，抽真空。
3)当设备腔内真空度达到10-7mbar量级时，方可打开氩气瓶阀门。调节氩气流量为3.0sccm，同时打开直流脉冲电源和射频电源，对非晶合金靶材和金属钨靶材同时进行预溅射，时长15分钟。该步骤的目的是除去靶材表面可能存在的氧化层以及污染物等，确保镀制薄膜成分的纯度。
4)预溅射结束后，调整基片底座位置，准备镀膜。打开直流脉冲电源，调节溅射功率为100w，进行溅射。
5)晶体钨层的工艺参数：直流脉冲电源功率：100w；附加基片台旋转；无基片偏压；沉积温度：室温。在此参数下，沉积5-10分钟，直至达到所需的膜厚，本实施例中晶体钨层厚度为60纳米。
6)ninb非晶层的沉积工艺参数：直流脉冲电源功率：100w；附加基片台旋转；无基片偏压；沉积温度：室温。在此参数下，连续沉积30分钟，关闭电源暂停镀膜10分钟，待到沉积薄膜完全冷却以后，再次沉积30分钟。如此循环直至非晶层厚度达到需要的厚度预设值，本实施例中非晶层厚度为600纳米。
7)待非晶层镀制完毕并充分冷却之后，在非晶层上覆盖晶体钨层，即重复步骤5)，厚度仍为60纳米，即为非晶层厚度的十分之一。
2、本例设一对照组，对比比较材料的抗晶化能力强弱：镍铌(ninb)非晶薄膜材料(单层)的具体工艺过程：
仅进行以上1、例中工艺步骤中的1)2)3)4)6)项即可。
对以上方法得到的两项非晶材料同时进行高真空退火处理。热处理工艺参数：退火时真空度：小于5×10-4pa；退火温度：873k；退火时间：一小时；热处理完成后炉冷12小时以上至室温后方可取出。
下面结合附图对本发明做进一步详细说明：
图2为ninb非晶退火态和覆钨晶体层的ninb非晶退火态xrd结构分析；由图中结果可以发现：退火态ninb非晶出现了明显的晶体峰；而在覆钨晶体层退火态的ninb非晶中仅观察到钨的晶体峰。由此可以定性地判断钨晶体层的覆盖对非晶晶化有抑制作用。
图3为退火态ninb非晶薄膜的高分辨透射显微镜选区衍射分析，结果表明，ninb非晶已晶化产生纳米晶相。通过标定照片中选区电子衍射的晶面间距，得到表1中第一列的实验值。
表1为退火态的ninb晶化相晶面间距比对图，与标准晶面间距进行比对后可确认，ninb非晶薄膜晶化后产生的纳米晶相为nb7ni6，即表1第四列。
图4为ninb非晶退火态的高分辨透射图分析，从图中观察ninb非晶退火过程中的晶化情况，可发现：ninb非晶薄膜呈现出异质的晶化行为，即近表面处发生晶化，可明显观察到晶粒；靠近硅基底处仍保持原子无序排列的非晶结构状态。此梯度晶化行为的结果说明非晶晶化始于表面。
图5为覆钨晶体层的ninb非晶退火态界面tem图及其高分辨透射图分析，从图中可以观察到薄膜的晶体层和非晶层界面清晰。进一步观察其微观形貌可见，覆钨晶体层的ninb非晶微观形貌呈现为：非晶基底内弥散镶嵌有大量的纳米晶形核，晶化情况较轻(较图3)。由此可见，覆钨晶体层的ninb非晶，抗晶化能力更强。
通过对ninb非晶(图4)与覆钨晶体层的ninb非晶(图5)的平均晶粒尺寸与晶粒数量进行定量统计，得到表2中的数据。ninb非晶退火态平均晶粒尺寸约32纳米，而覆钨晶体层的ninb非晶退火态平均晶粒尺寸仅有6纳米。说明本发明制备的晶体覆盖非晶薄膜的结构，可达到提高非晶金属薄膜材料抗晶化能力的效果。
表1ninb晶化相的晶面间距比对表
表2ninb非晶与覆钨晶体层的ninb非晶，两者的晶粒尺寸与晶粒数量统计表