一种通过磁控溅射直流共溅射制备Ni‑Co‑Mn‑Ti合金薄膜的方法与流程

本发明涉及ni-co-mn-ti合金薄膜，特别提供一种通过磁控溅射直流共溅射制备ni-co-mn-ti合金薄膜的方法。

背景技术：

ni-mn-x(x＝in,sn,sb,ga,al)铁磁形状记忆合金(fsmas)是近年来备受关注的一类新型智能材料，同时具有热弹性和铁磁性形状记忆效应，因此，该类合金兼有大恢复应变、大输出应力、高响应频率和可精确控制等综合特性，使其可以在大功率水下声纳、微位移器、震动和噪声控制、线性马达、微波器件、机器人等领域有重要应用。此外，此类合金还具有大的磁热效应、压热效应、弹热效应、磁电阻效应、磁致应变、交换偏置、巨霍尔效应等多功能性质，在制冷、磁记录等很多领域也都具有潜在的应用背景。除了块体和条带样品外，随着技术的发展，对器件小型化和大存储量的需要使得薄膜样品具有更大的发展前景和市场需求。

溅射技术是物理气相沉积的一种，是一种制备薄膜材料的重要方法。磁控溅射技术就是结合磁控原理和溅射技术并且利用磁场的固定分布从而控制电场中电子的运动，是对溅射技术的优化。随着微机电系统(mems)研究和应用的深化，微小空间内的局部制冷将在mems系统中得到重要应用。为了适应小型化的发展趋势以及微小化的空间布局，低场下具有高磁熵变的薄膜材料将会得到广泛的应用。但目前的研究工作主要集中于块材和条带，薄膜材料的研究还相对较少。究其原因，磁性薄膜材料的制备是一个很大的难关，目前磁性薄膜材料的制备常采用磁控溅射的方法，由于利用磁控溅射法制备磁性薄膜材料，制备出的薄膜不仅质量好、投入设备价格适中，产出效率高，而且可以在低工作压强下得到高沉积率，也可以在低基底温度下获得高质量薄膜。但是溅射前合金薄膜的成分往往是不确定的，且在溅射时采用不同的参数设置就会得到不同的合金薄膜成分和薄膜厚度。

传统的ni-mn基fsmas是由过渡族元素和主族元组成的。近年来，ni-co-mn-ti这种全部由过渡族元素组成的ni-mn基fsmas被发现。尽管传统的ni-mn基fsmas薄膜样品已有研究，但是ni-co-mn-ti合金薄膜还没有人报道和研究。据已有的块体研究知道，ni-co-mn-ti作为一种新型ni-mn基fsmas，具有大的磁热效应、磁电阻以及大的可恢复应变和快速响应性能，所以在制冷和智能领域有很大的应用前景。其薄膜材料更是有望在微制冷、微传感器、微驱动器等高科技领域中得到广泛应用，因此非常有必要对ni-co-mn-ti合金薄膜进行制备及对其性能进行深入的研究。本发明正是基于此目的提出一种通过磁控溅射直流共溅射方法制备ni-co-mn-ti合金薄膜。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种通过磁控溅射直流共溅射制备ni-co-mn-ti合金薄膜的方法，该方法具有简单方便、安全高效和能耗低等优点。

本发明的技术方案为：

一种通过磁控溅射共溅射制备ni-co-mn-ti合金薄膜的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(一)选取靶材：按化学计量比选取nimnti合金靶材和co单质靶材进行共溅射，靶材的直径都是60mm，其中合金靶材的厚度为3mm，co单质靶材的厚度为1～2mm；

(二)基底加热：将选好的合金靶材和co单质靶材放在溅射室的溅射靶之上固定好，关闭腔盖抽真空到10^-4pa以下后加热基底，打开基底加热电源，调整加热旋钮到合适位置开始加热，加热温度范围为200℃～700℃；

(三)溅射室压强调整：充入氩气(优选纯度为99.999％的氩气)，通过调整流量仪和闸板阀控制溅射室内压强范围为0.25pa～2.5pa；

(四)直流共溅射：调整溅射靶的功率旋钮到合适范围开始共溅射，合金靶的溅射功率为30w～70w，单质靶溅射功率为5w～30w，溅射时间0.5h～2.5h。

步骤(一)所述合金靶材和单质靶材纯度均在99.95％以上；按照不同的化学计量比选取了多个靶材，其中合金靶中各元素的成分范围分别为：ni(25～45)，mn(25～45)，ti(5～25)。

步骤(二)所述基底加热是将合金靶和单质靶分别放在溅射室的两个直流靶上面固定好，关闭腔盖开始抽真空，抽至压强小于10^-4pa后才可以进行基底加热，设定温度为所选温度，调整加热电流旋钮至3～4a预热4～6分钟，加大电流到5～8a，具体电流视所选温度调整，使温度迅速上升到指定温度。

步骤(三)所述溅射室压强调整是先稍微关紧闸板阀，但是不关到底，打开氩气瓶总开关，调整压力示数到0.375mpa左右，打开氩气进气阀，调节流量仪为24左右，然后通过旋转闸板阀调节溅射室内压强到所需压强。

步骤(四)所述直流共溅射是在溅射室内压强和温度都稳定后调整溅射靶的功率旋钮，使合金靶和单质靶同时起辉进行共溅射，此时只打开靶材挡板而不打开基底挡板，预溅射10～15min，然后打开基底挡板开始沉积薄膜。

本发明的有益效果是：

本发明所述方法简单方便，不需要退火热处理时间，能源消耗少，对环境污染小，制备成本低，适合工业化生产。采用该方法获得的ni-co-mn-ti合金薄膜性能优异，可作为磁热材料，经过探索甚至可以作为磁电阻等磁性功能材料。

附图说明

图1基底加热温度为250℃时ni-co-mn-ti合金薄膜表面sem图。

图2基底加热温度为250℃时ni-co-mn-ti合金薄膜xrd图。

图3基底加热温度为250℃时ni-co-mn-ti合金薄膜截面sem图。

图4基底加热温度为350℃时ni-co-mn-ti合金薄膜表面sem图。

图5基底加热温度为350℃时ni-co-mn-ti合金薄膜xrd图。

具体实施方式

实施例1

(一)选取靶材：按化学计量比选取纯度为99.95％以上的ni25mn30ti21合金靶和co单质靶进行共溅射，靶材的直径都是60mm，其中合金靶的厚度为3mm，co靶的厚度为1mm，不能太厚；

(二)基底加热：将合金靶和单质靶分别放在溅射室的两个直流靶上面固定好，关闭腔盖开始抽真空至压强小于10^-4pa后才可以进行基底加热，设定温度为250℃，调整加热电流旋钮至3a预热6分钟，加大电流到6a，使温度迅速上升到250℃；

(三)溅射室压强调整：先稍微关紧闸板阀，但是不关到底，打开氩气瓶总开关，调整压力示数到0.375mpa左右充入氩气，氩气纯度为99.999％，打开氩气进气阀，调节流量仪的值为24左右，然后通过旋转闸板阀调节溅射室内压强到0.30pa；

(四)直流共溅射：在溅射室内压强和温度都稳定后调整溅射靶的功率旋钮，使合金靶和单质靶同时起辉进行共溅射，合金靶的功率为30w～70w，单质靶的功率为5w～30w，此时只打开靶材挡板而不打开基底挡板，预溅射10min，然后打开基底挡板开始沉积薄膜，沉积1h。

相对于铸态合金需要长时间高温退火才能得到单相合金样品，本方法避免了退火热处理过程,降低了制备成本，节约了能源，克服了块体条带样品易碎的缺点，适合工业化生产，可作为制备磁制冷、磁电阻等磁功能材料的一种行之有效的方法。薄膜的制备有利于器件的小型化，代表着未来发展的方向。

实施例2

(一)选取靶材：按化学计量比选取纯度为99.95％以上的ni45mn36ti10合金靶和co单质靶进行共溅射，靶材的直径都是60mm，其中合金靶的厚度为3mm，co靶的厚度为1.5mm；

(二)基底加热：将合金靶和单质靶分别放在溅射室的两个直流靶上面固定好，关闭腔盖开始抽真空至压强小于10^-4pa后才可以进行基底加热，设定温度为350℃，调整加热电流旋钮至3a预热6分钟，加大电流到5a，使温度迅速上升到350℃；

(三)溅射室压强调整：先稍微关紧闸板阀，但是不关到底，打开氩气瓶总开关，调整压力示数到0.375mpa左右充入氩气，氩气纯度为99.999％，打开氩气进气阀，调节流量仪的值为24左右，然后通过旋转闸板阀调节溅射室内压强到0.25pa；

(四)直流共溅射：在溅射室内压强和温度都稳定后调整溅射靶的功率旋钮，使合金靶和单质靶同时起辉进行共溅射，合金靶的功率为30w～70w，单质靶的功率为5w～30w，此时只打开靶材挡板而不打开基底挡板，预溅射15min，然后打开基底挡板开始沉积薄膜，沉积1.5h。

实施例3

(一)选取靶材：按化学计量比选取纯度为99.95％以上的ni30mn25ti8合金靶和co单质靶进行共溅射，靶材的直径都是60mm，其中合金靶的厚度为3mm，co靶的厚度为1.5mm；

(二)基底加热：将合金靶和单质靶分别放在溅射室的两个直流靶上面固定好，关闭腔盖开始抽真空至压强小于10^-4pa后才可以进行基底加热，设定温度为450℃，调整加热电流旋钮至4a预热5分钟，加大电流到8a，使温度迅速上升到450℃；

(三)溅射室压强调整：先稍微关紧闸板阀，但是不关到底，打开氩气瓶总开关，调整压力示数到0.375mpa左右充入氩气，氩气纯度为99.999％，打开氩气进气阀，调节流量仪的值为24左右，然后通过旋转闸板阀调节溅射室内压强到2.0pa；

(四)直流共溅射：在溅射室内压强和温度都稳定后调整溅射靶的功率旋钮，使合金靶和单质靶同时起辉进行共溅射，合金靶的功率为30w～70w，单质靶的功率为5w～30w，此时只打开靶材挡板而不打开基底挡板，预溅射10min，然后打开基底挡板开始沉积薄膜，沉积2.5h。

实施例4

(一)选取靶材：按化学计量比选取纯度为99.95％以上的ni35mn45ti24合金靶和co单质靶进行共溅射，靶材的直径都是60mm，其中合金靶的厚度为3mm，co靶的厚度为2mm；

(二)基底加热：将合金靶和单质靶分别放在溅射室的两个直流靶上面固定好，关闭腔盖开始抽真空至压强小于10^-4pa后才可以进行基底加热，设定温度为600℃，调整加热电流旋钮至3a预热6分钟，加大电流到6a，使温度迅速上升到600℃；

(三)溅射室压强调整：先稍微关紧闸板阀，但是不关到底，打开氩气瓶总开关，调整压力示数到0.375mpa左右充入氩气，氩气纯度为99.999％，打开氩气进气阀，调节流量仪的值为24左右，然后通过旋转闸板阀调节溅射室内压强到0.25pa；

(四)直流共溅射：在溅射室内压强和温度都稳定后调整溅射靶的功率旋钮，使合金靶和单质靶同时起辉进行共溅射，合金靶的功率为30w～70w，单质靶的功率为5w～30w，此时只打开靶材挡板而不打开基底挡板，预溅射10min，然后打开基底挡板开始沉积薄膜，沉积1.5h。

实施例5

(一)选取靶材：按化学计量比选取纯度为99.95％以上的ni30mn41ti5合金靶和co单质靶进行共溅射，靶材的直径都是60mm，其中合金靶的厚度为3mm，co靶的厚度为1mm，不能太厚；

(二)基底加热：将合金靶和单质靶分别放在溅射室的两个直流靶上面固定好，关闭腔盖开始抽真空至压强小于10^-4pa后才可以进行基底加热，设定温度为700℃，调整加热电流旋钮至3a预热6分钟，加大电流到8a，使温度迅速上升到700℃；

(三)溅射室压强调整：先稍微关紧闸板阀，但是不关到底，打开氩气瓶总开关，调整压力示数到0.375mpa左右充入氩气，氩气纯度为99.999％，打开氩气进气阀，调节流量仪的值为24左右，然后通过旋转闸板阀调节溅射室内压强到0.50pa；

(四)直流共溅射：在溅射室内压强和温度都稳定后调整溅射靶的功率旋钮，使合金靶和单质靶同时起辉进行共溅射，合金靶的功率为30w～70w，单质靶的功率为5w～30w，此时只打开靶材挡板而不打开基底挡板，预溅射10min，然后打开基底挡板开始沉积薄膜，沉积0.5h。

虽然介绍和描述了本发明的具体实施方式，但是本发明并不局限于此，而是还能以所附权利要求中定义的技术方案范围内的其他方式来具体实现，比如还可以通过调节靶材的溅射功率来控制薄膜的成分和厚度，通过调节温度来改变薄膜的成相情况，调节溅射时间来改变薄膜厚度等。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。