一种采用低温退火制备非晶NiW合金薄膜的方法
【专利摘要】本发明公开了一种采用低温退火制备非晶NiW合金薄膜的方法，其是将磁控溅射沉积态的纳米晶NiW合金薄膜置于真空退火炉中低温退火制备出近乎完全非晶化的NiW合金薄膜。该方法简单、易行，避免了传统金属非晶材料制备方法所需的极大的淬火速度。该方法采用可靠的真空退火和双靶磁控溅射技术，可重复性高，可操作性强，成本低，易于在工业上实现和推广。
【专利说明】—种采用低温退火制备非晶NiW合金薄膜的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于合金薄膜【技术领域】，涉及一种非晶NiW合金薄膜，尤其是一种采用低温退火制备非晶NiW合金薄膜的方法。
【背景技术】
[0002]非晶金属材料，又称金属玻璃，其内部结构具有无定型特点，即原子排列不具备长程有序性，内部没有位错、晶界等晶体结构缺陷。故与晶体材料相比，金属玻璃具有许多独特的性能，如:金属玻璃具有与金属多晶材料相当的弹性模量，却拥有比金属多晶材料更高的室温强度，以及接近理论值的压缩强度、良好的弹性性能(弹性极限应变约2%)，同时还具有良好的软磁性能、耐腐蚀和耐磨性能等。其研究成果已被广泛应用于微机电系统(MEMS )、纳机电系统(NEMS )器件、信息器件、传感器件等高新领域的研发和设计。[0003]传统的非晶金属材料制备均通过非平衡处理技术达成，主要包括:快速凝固化处理(RSP)，机械合金，等离子处理，气相沉积和喷射沉积等。其基本原理为“激活和淬火”，即先通过某种方法给材料提供大量能量，使其内部结构远离平衡态，然后快速淬火使其内部结构停留在亚稳态。该技术的关键和难点是获得极大的淬火速率(~Κ^-ΙΟ--1)。而我们通过对磁控溅射沉积制备的纳米晶NiW合金薄膜低温退火制备出非晶NiW合金薄膜。此法避免了极大的淬火速度，简单易行，成本低，丰富了非晶金属材料的制备方法。对文献的进一步检索和分析，至今尚未发现和本发明技术主题相同或相似的报道。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种采用低温退火制备非晶Niff合金薄膜的方法，该方法通过将磁控溅射沉积制备的纳米晶NiW合金低温真空退火，制备出近乎完全非晶化的NiW合金薄膜。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0006]这种采用低温退火制备非晶NiW合金薄膜的方法，将纳米晶NiW合金薄膜置于真空退火炉中，通过低温退火制备非晶NiW合金薄膜。
[0007]上述纳米晶NiW合金薄膜磁控溅射共沉积制备所得。
[0008]上述纳米晶NiW合金薄膜及非晶NiW合金薄膜成份均为Ni77W2315
[0009]进一步的，上述的采用低温退火制备非晶NiW合金薄膜的方法，具体包括以下步骤:
[0010]I)将单面抛光单晶硅基片分别用丙酮和酒精超声30分钟，吹干，放入真空磁控溅射设备的可旋转基体支撑架上，准备镀膜；
[0011]2)将Ni金属源靶材安置在A号靶材座上作为A号靶，并将W金属源靶材安置在B号靶材座上作为B号靶，工作时，首先将基体旋转按钮打开，转速为I圈/分钟，然后真空室抽真空，通入Ar气至真空室；开始共沉积，通过调节电流、电压来改变溅射功率控制Ni和W的原子配比，调节沉积时间来控制薄膜厚度，这样同时沉积并制备出纳米晶NiW合金薄膜；[0012]3)将磁控溅射沉积制备的纳米晶NiW合金薄膜置于退火炉中，然后将炉中气压抽至lX10_3Pa，调节退火温度至473K，设置退火时间为I小时，退火结束后炉冷至室温。[0013]进一步的，上述步骤2)中，所述真空室抽真空至气压为5X10_4Pa，然后真空室内通入Ar气，使气压为3X10^8。
[0014]进一步,上述步骤中,派射祀材的纯度均大于99.95%。
[0015]进一步的，步骤2)中，所述A号靶选用直流脉冲电源，溅射功率为124W，沉积速率为 8_10nm/mino
[0016]进一步的，步骤2)中，所述B号靶选用直流脉冲电源，溅射功率为65W，沉积速率为l-2nm/min。
[0017]进一步的，共沉积时A号靶的直流磁控溅射电压为325V出号靶的直流磁控溅射电压为350V，负偏压为100V，基体与靶材的距离为8-10cm。
[0018]进一步的，以上步骤中，通过调节电流、电压来改变溅射功率控制Ni和W的原子配比，使其达到Ni77W2315
[0019]本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
[0020]( I)本发明所述低温退火法制备非晶NiW合金薄膜的方法，简单，易行，避免了传统非晶金属材料制备方法所需的极大的淬火速度。
[0021](2)本发明所述低温退火法制备非晶NiW合金薄膜的方法，制备的非晶NiW合金薄膜成份为Ni77W23 (at.%)，传统非晶金属材料制备方法难以制备该成份的非晶NiW合金。
[0022](3)本发明采用真空退火和双靶磁控溅射技术，该技术可靠，可重复性高，可操作性强，成本低，易于在工业上实现和推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为磁控溅射沉积态纳米晶NiW合金薄膜和退火态非晶NiW合金薄膜的能谱分析；
[0024]图2为磁控溅射沉积态纳米晶NiW合金薄膜，473K退火30分钟(NiW3tlmin)和473K退火I小时(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的XRD分析；
[0025]图3为磁控溅射沉积态纳米晶NiW合金薄膜，473K退火30分钟(NiW3tlmin)和473K退火I小时(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的截面TEM图及其衍射分析；
[0026]图4为磁控溅射沉积态纳米晶NiW合金薄膜，473K退火30分钟(NiW3tlmin)和473K退火I小时(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的高分辨截面TEM图；
【具体实施方式】
[0027]本发明采用低温退火制备非晶NiW合金薄膜的方法，是将纳米晶NiW合金薄膜置于真空退火炉中，通过低温退火制备非晶NiW合金薄膜。所述纳米晶NiW合金薄膜磁控溅射共沉积制备所得。所述纳米晶NiW合金薄膜及非晶NiW合金薄膜成份均为Ni77W23 (at.%)。
[0028]本发明所采用的方法主要原理是:成份为Ni77W23 (at.%)的纳米晶NiW合金，由于其亚稳态结构和接近Ni4W的成份，在低温退火过程中，合金结构主体首先转变为Ni4W相，同时在一些区域W原子富集，达到甚至超过了 NiW非晶相出现的固溶极限，从而在这些区域出现非晶相。随着退火的进一步进行，非晶相的自由体积离域及其与纳米晶相的交互作用，使合金整体非晶化。
[0029]本发明的方法具体包括下列步骤:
[0030]I)将单面抛光单晶硅基片分别用丙酮和酒精超声30分钟，吹干，放入真空磁控溅射设备的可旋转基体支撑架上，准备镀膜； [0031]2)将Ni金属源靶材安置在A号靶材座上作为A号靶，并将W金属源靶材安置在B号靶材座上作为B号靶，溅射靶材的纯度均大于99.95%。工作时，首先将基体旋转按钮打开，转速设为I圈/分钟，然后将真空室的气压抽至~5 X 10_4Pa,通入30sccm的Ar气至真空室，使其工作气压为3X K^Pa。A号靶选用直流脉冲电源，溅射功率为124W，溅射电压为325V，沉积速率为8-10nm/min ；B号靶也选用直流脉冲电源，溅射功率为65W，溅射电压为350V，沉积速率为l-2nm/min ;负偏压为100V，基体与靶材的距离为8_10cm。这样同时沉积制备出纳米晶NiW合金薄膜，通过调节沉积的时间可控制薄膜厚度。所述的基体，其沉积时环境温度为室温，约为290-300K。
[0032]3)将磁控溅射沉积制备的纳米晶NiW合金薄膜置于退火炉中，然后将炉中气压抽至~1父10_午&，调节退火温度至4731(，设置退火时间为I小时，退火结束后炉冷至室温。
[0033]图1为磁控溅射沉积态纳米晶NiW合金薄膜和退火态非晶NiW合金薄膜的能谱分析，结果显示，退火前后，NiW合金薄膜的成份无明显变化，均为~Ni77W23 (at.%)。
[0034]图2为磁控溅射沉积态纳米晶NiW合金薄膜，473K退火30分钟(NiW3tlmin)和473K退火I小时(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的XRD分析，结果表明，随着退火时间的延长，薄膜非晶化程度加剧。磁控溅射沉积态NiW合金为标准的fee纳米晶结构，即W原子固溶于fee的Ni基体中，其三强峰位置清晰可见，即(111)峰(2 Θ =43.31° )，(200)峰(2 Θ =50.13° )和(220) (2 Θ =74.42° )峰；经过30分钟退火处理，晶体主体结构转变为体心四方(bet)的Ni4W结构，其三强峰主体位置发生变化，Ni (W) (111)峰(2 Θ =43.31° )转变为Ni4W(211)峰(2Θ=43.52。)，Ni (W) (200)峰(2 Θ =50.13。)转变为 Ni4W (130) (2 Θ =50.34。)，而Ni (W) (220)峰(2 Θ =74.42° )没有发生明显变化，且峰强减弱、峰宽增大，说明非晶化可能已经发生；经过I小时退火处理，晶体主体结构已经转变为非晶结构，三强峰均已消失，仅在2 Θ =43.52°峰位处有一非晶峰，说明非晶化程度已经比较完全。
[0035]图3为磁控溅射沉积态纳米晶NiW合金薄膜，473K退火30分钟(NiW3tlmin)和473K退火I小时(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的截面TEM图及其衍射分析。如图3 Ca)和(d)所示，磁控溅射沉积态NiW合金为纳米柱状晶结构，膜平面方向晶粒尺寸约为10nm，膜生长方向晶粒尺寸几十甚至上百纳米，对应的选取衍射照片为明锐的纳米晶衍射斑点；经过30分钟退火处理之后，合金结构主体仍为纳米柱状晶，如图3 (b)和(e)所示，然而有部分区域已经非晶化，对应的选区衍射照片已经出现光晕；经过I小时退火处理之后，合金主体结构已转化为非晶结构图3 (c)和(f)所示，对应的选区衍射仅存在少数晶体斑点，而绝大部分为非晶光晕。图中红色箭头表示薄膜生长方向。
[0036]图4为磁控溅射沉积态纳米晶NiW合金薄膜，473K退火30分钟(NiW3tlmin)和473K退火I小时(NiW6tlmin)的NiW合金薄膜的高分辨截面TEM图。图4 Ca)显示，磁控溅射沉积态NiW合金薄膜为纳米晶结构，晶格晶界清晰可见；而经过30分钟退火处理，晶体内部出现局部非晶化，如图4 (b)所示A区域；经过I小时退火处理之后，合金主体结构已几乎完全非晶化，如图4 (c)所示。[0037]以上说明本发明的方法可以成功制备出非晶NiW合金薄膜，同时，由于沉积速率和退火时间相对固定， 通过相关计算机程序的编写与设定，便于实现工业化生产和推广。
【权利要求】
1.一种采用低温退火制备非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，将纳米晶NiW合金薄膜置于真空退火炉中，通过低温退火制备非晶NiW合金薄膜。
2.根据权利要求1所述的采用低温退火制备非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，所述纳米晶NiW合金薄膜磁控溅射共沉积制备所得。
3.根据权利要求1或2所述的采用低温退火制备非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，所述纳米晶NiW合金薄膜及非晶NiW合金薄膜成份均为Ni77W2315
4.根据权利要求1、2或3所述的采用低温退火制备非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，具体包括以下步骤: 1)将单面抛光单晶硅基片分别用丙酮和酒精超声30分钟，吹干，放入真空磁控溅射设备的可旋转基体支撑架上，准备镀膜； 2)将Ni金属源靶材安置在A号靶材座上作为A号靶，并将W金属源靶材安置在B号靶材座上作为B号靶，工作时，首先使基体旋转，然后真空室抽真空，通入Ar气至真空室；开始共沉积，通过调节电流、电压来改变溅射功率控制Ni和W的原子配比，调节沉积时间来控制薄膜厚度，这样同时沉积并制备出纳米晶NiW合金薄膜； 3)将磁控溅射沉积制备的纳米晶NiW合金薄膜置于退火炉中，然后将炉中气压抽至lX10-3Pa，调节退火温度至473K，设置退火时间为I小时，退火结束后炉冷至室温。
5.根据权利要求4所述的采用低温退火制备非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，步骤2)中，基体旋转的转速为I圈/分钟；所述真空室抽真空至气压为5X 10_4Pa，然后真空室内通入Ar气，使气压为3X10^8。
6.根据权利要求4所述的采用低温退火制备非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，溅射靶材的纯度均大于99.95%。
7.根据权利要求4所述的采用低温退火制备非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，步骤2)中，所述A号靶选用直流脉冲电源，溅射功率为124W，沉积速率为8-10nm/min。
8.根据权利要求4所述的采用低温退火制备非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，步骤2)中，所述B号靶选用直流脉冲电源，溅射功率为65W，沉积速率为l-2nm/min。
9.根据权利要求4所述的采用低温退火制备非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，共沉积时A号靶的直流磁控溅射电压为325V ；B号靶的直流磁控溅射电压为350V，负偏压为100V，基体与靶材的距离为8-10cm。
10.根据权利要求4所述的采用低温退火制备非晶NiW合金薄膜的方法，其特征在于，通过调节电流、电压来改变溅射功率控制Ni和W的原子配比，使其达到Ni77W2315
【文档编号】C23C14/35GK103628004SQ201310563319
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】黄平, 王飞, 陈自强, 徐可为 申请人:西安交通大学