磁控溅射制备纳米晶

1、 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 直流二极溅射 1.4 磁控溅射 二、纳米晶 2.1 纳米晶定义 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n溅射法溅射法n利用带电离子在电磁场的作用下获得足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。射向衬底，在衬底上形成薄膜。n溅射法的分类溅射法的分类n直流溅射直流溅射 射频溅射射频溅射n磁控溅射磁控溅射 反应溅射反应溅射n偏压溅

2、射偏压溅射 溅射镀膜的特点溅射镀膜的特点（1）任何待镀材料）任何待镀材料（2）薄膜与基片结合较好）薄膜与基片结合较好（3）薄膜纯度高，致密性好）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）可重复性好，可大面积获得均匀薄膜n靶材是需要被溅射的物质，作为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，阴极，相对阳极加数千伏电压， 在真空室内充入在真空室内充入Ar气，在电极间气，在电极间形成辉光放电。形成辉光放电。n辉光放电过程中，将产生辉光放电过程中，将产生Ar离子，离子，阴极材料原子，二次电子，光子阴极材料原子，二次电子，光子等。等。1.2 辉光放电和等离子体辉光放电和

3、等离子体辉光放电的物理基础辉光放电的物理基础真空室电极高真空泵等离子体RF 发生器匹配部件 等离子体等离子体 等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，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、带电离子和自由包含中性原子或分子、原子团、带电离子和自由电子。电子。 作用：作用： 1、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大 部分能量部分能量 2、通过等离子刻蚀选择性地去处金属、通过等离子刻蚀选择性地去处金属 一、溅射的产额：一、溅射的产额： 被溅射出来的原子个数与被溅射出来的原子个数与入射离子数之比。它与入入射离子数之比。它与入射

4、能量，入射离子种类，射能量，入射离子种类，溅射物质种类及入射离子溅射物质种类及入射离子的入射角度有关。的入射角度有关。1.3 直流二极溅射图3.7二、溅射沉积装置二、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）直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）气体离子气体离子靶材离子靶材离子二次电子二次电子 工作原理：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，靶当加上直流电压后，辉光放电开始，正离子打击靶面，靶材表面的中性原子溅射出，这些原子沉积在衬底上形成薄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。膜。 在离子轰击靶材的同时，也有大量二次电子从阴极

5、靶发射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。更多的电子，从而使辉光放电达到自持。产生产生：上世纪：上世纪70年代。目前已在工业生产中应用。年代。目前已在工业生产中应用。原因原因：高速、低温、低损伤：高速、低温、低损伤特点特点：在阴极靶面上建立一个环形磁场以控制二次：在阴极靶面上建立一个环形磁场以控制二次 电子的运动。电子的运动。分类分类：柱状靶、平面

6、靶、锥面靶：柱状靶、平面靶、锥面靶 磁场的作用使电子不再做平行直线运动，而是围绕磁力线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。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：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、磁场中电子的电离效率提高 2、在较低气压下（、在较低气压下（0.1Pa)溅射原子被散射的几率减小溅射原子被

7、散射的几率减小 提高了入射到衬底上的原子的能量，从而提高薄膜提高了入射到衬底上的原子的能量，从而提高薄膜 的质量。的质量。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效应，人们发现一些宏观量,例如微粒的磁化强度量子相干器件中心的磁通量也

8、具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应。 1、Ni 研究内容： （1）纯Ni 及其溅射纳米晶涂层在700 900C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。 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1

9、nm的超光洁连续Au薄膜可控生长。 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 研究内容： 纳米晶钛薄膜的制备及结构分析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。 研究内容: 磁控溅射磁控溅射Al 膜的膜的 性能分析及其制备工性能分析及其制备工艺研究艺研究 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。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

10、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。 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。 研究内容： 用磁控溅射和退火方法制备多层锗纳米晶结

11、论： 退火的样品中有Ge纳米晶形成 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 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。1耿树江等.纯Ni 及其溅射纳米晶的高温氧化行为. 中国腐蚀与防护学报.2003.23(6):335-338.2卢柯,刘学东,张皓月,胡壮麒. 纯镍纳米晶体的晶格膨胀.金属学报.1995.31(2):74-78.3王春平等. Ag 纳米粒子磁控溅射制备及其热稳定性研究.功能材料.2007.38:2059-2061.4易泰民等.磁控溅射制备纳米厚度连续金膜. 原子能科学技术.2010.24(4):479-483.5赵越等. 纳米晶钛薄膜的制备及结构分析. 原子能科学技术.2002.36(4/5):380-383.6何建梅等. 磁控溅射Al 膜的AFM 性能分析及其制备工艺研究. 物理实验.2007.27(8):42-46.7易泰民