納米多孔銅薄膜的制備方法技術

本發明專利技術公開了一種納米多孔銅（NPC）薄膜的制備方法，目的是提供包括一種多孔的三棱柱狀結構和一種雙連續的“三角韌帶–孔道”結構在內的NPC薄膜的磁控濺射制備方法。本發明專利技術利用射頻平衡磁控濺射鍍膜系統，以絕緣載玻片為間接襯底，先在載玻片上沉積一層具有粗糙表面的金屬銅薄膜作直接襯底，然后施加襯底負偏壓，利用尖端集電原理誘使入射銅原子在直接襯底上進行選擇性優先沉積，從而獲得各向異性的NPC薄膜。本發明專利技術制備的NPC薄膜的形貌取決于直接襯底銅膜的形貌，通過控制襯底的形貌能夠可控地制備不同結構的NPC薄膜，具有工藝簡單、大面積、均勻性好、各向異性等優點，在太陽能薄膜電池、催化、傳感器、生物探測等領域具有潛在應用前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及納米多孔金屬及其制備方法，尤其是涉及兩種利用尖端集電原理制備的納米多孔銅薄膜及其制備方法。
技術介紹
納米多孔金屬(NPM)是一種具有納米尺寸孔洞的材料，其孔徑尺寸一般為幾納米至幾十納米。納米級的孔徑尺寸使NPM擁有更高的比表面積以及獨特的物理、化學和力學性能，從而在催化劑、傳感器、致動器、燃料電池以及微流控等許多
具有潛在應用前景(參見文獻1. Qi Z, Zhao CC, Wang XG, et al. J. Phys. Chem. C，2009，113: 6694)。目前，NPM的制備方法主要有模板法(參見文獻1. Masuda H, Fukuda K. Science,1995, 268: 1466; 2. Attard GS, Bartlett PN, Coleman NRB, et al. Science, 1997,278: 838)、脫合金法(參見文獻1. Erlebacher J, Aziz MJ, Karma A, et al. Nature,2001，410: 450; 2. Zhao C，Qi Z, Wang X，Zhang Z. Corros Sci, 2009，51: 2120)和掠射角度沉積法(GLAD,參見文獻1. Robbie K，Friedrich LJ, Dew SK, et al. J VacSci Technol A, 1995, 13: 1032; 2. Liu F, Umlor MT, Shen L, et al. J Appl Phys,1999，85: 5486)。這些方法雖然各有優點，但也存在著一些缺點。比如，模板法工藝復雜，除制備模板、沉積薄膜外，通常需要用熱處理或溶劑溶解辦法去除模板，而且孔徑大小、分布以及面積等都受限于模板。脫合金法包括合金化和脫合金化過程，工藝較為復雜，而且它較適合厚合金帶材(微米級以上)的腐蝕，一般得到的是3D的雙連續多孔結構；GLAD法則主要用于制備3D的多孔柱狀結構。這種多孔的納米塊體金屬顯然不適應集成化要求越來越高的集成電路和微電子器件以及納米器件發展的需要。此外，在上述傳統方法制備的雙連續多孔結構和多孔柱狀結構中，金屬韌帶(ligament)和金屬柱(column)的截面一般為圓形，沿徑向方向具有各向同性的特點。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供兩種大面積均勻的各向異性的納米多孔銅(NPC)薄膜的簡易制備方法。本專利技術所述的兩種NPC薄膜,一種是多孔的三棱柱狀(triangular prism)結構，一種是雙連續的“三角韌帶-孔道”(triangular ligament-channel)結構，其中金屬韌帶和金屬柱的截面大多為三角形，具有各向異性的特點。本專利技術的技術方案是通過施加襯底負偏壓，在預濺射的粗糙金屬薄膜表面上產生尖端集電效應，誘導入射金屬原子在各個方向上進行選擇性沉積，從而制得NPC薄膜。，包括以下步驟 1)采用JGP500A型平衡磁控濺射鍍膜系統，先將干凈的絕緣載玻片固定在樣品盤上作為NPC薄膜的間接襯底，再將純度為99. 99%的銅靶安裝在射頻源上，并調節襯底與銅靶之間的距離為15cm; 2)關上腔門抽真空至5.0X10—4 Pa，然后通流量為15SCCm、純度為99. 999%的高純Ar氣，并保持腔室氣壓為0.1pa ； 3)在室溫和施加OV或-100V直流偏壓條件下，用RF100W的功率先在絕緣載玻片上預濺射一層金屬銅膜，作為NPC薄膜的直接襯底； 4)在室溫和施加-100V直流偏壓條件下，再用RF100W的功率作進一步濺射沉積，誘導入射銅原子在銅膜襯底表面上進行選擇性優先沉積，制備得到NPC薄膜。所述步驟3)中的銅膜厚度為30nm，所述步驟4)中NPC薄膜的厚度為120nm。當施加OV直流偏壓時，制備得到的NPC薄膜為多孔的三棱柱狀結構，其中三棱柱的截面尺寸為42nm，溝壑寬度為20nm ;當施加-100V直流偏壓時，制備得到的NPC薄膜為雙連續的“三角韌帶-孔道”結構，其中三角韌帶的截面尺寸為21nm，孔道尺寸為12nm。 本專利技術的優點和創新性在于 (I)本專利技術制備的NPC薄膜具備一般磁控濺射薄膜的優點，如大面積，均勻性好等。而且，在可控方面，本專利技術通過控制預濺射銅膜的表面形貌，不僅能獲得雙連續的多孔結構，還能獲得多孔柱狀結構，而脫合金法和GLAD法均只能獲得其中的一種。更為重要的是，本專利技術制備的NPC薄膜中，金屬韌帶和金屬柱的截面大多為三角形，而不是常見的圓形，具有各向異性的特點。(2)本專利技術采用的是平衡磁控濺射(BMS)。與非平衡磁控濺射(UBMS)和電子回旋共振技術(ECR)不同的是，BMS在濺射過程中產生的等離子體，包括電子和Ar+等，基本上完全被束縛在靶材附近，而襯底離靶材又較遠，這不僅能提高銅靶的濺射效率，而且在施加襯底偏壓時，UBMS和ECR中很常見的Ar離子對沉積薄膜的轟擊和再濺射效應(參見文獻1.Thiery F，Pauleau Y，Ortega L. J Vac Sci Technol A, 2004, 22: 30)基本可以忽略不計。這時，本專利技術認為粗糙金屬薄膜表面的尖端集電效應成為負偏壓沉積的主要效應，它將支配著薄膜的沉積、生長過程。(3)本專利技術分兩步完成NPC薄膜的制備，而這兩步均是在高真空的磁控濺射系統中連續完成的。而模板法先制模板后沉積薄膜，脫合金法先合金化后脫合金腐蝕都是在兩個不同的設備中分步進行的。因此，本專利技術不僅工藝相對簡單，還可避免兩個過程間引入的樣品氧化、污染等。附圖說明圖1為本專利技術的實驗裝置不意圖；1-負偏壓電源，2_金屬基座,3_絕緣襯底,4_粗糙金屬表面； 圖2 Ca)為實施例1銅膜襯底的形貌；(b)為實施例2銅膜襯底的形貌； 圖3為實施例1所制備的多孔三棱柱狀結構NPC薄膜； 圖4為實施例2所制備的雙連續“三角韌帶-孔道”結構NPC薄膜； 圖5為NPC薄膜的形成機理示意圖(a)多孔柱狀結構(實施例1) ; (b)雙連續多孔結構(實施例2)。具體實施例方式下面通過實施例結合附圖對本專利技術作進一步說明。本專利技術利用射頻平衡磁控濺射鍍膜系統，以絕緣載玻片為間接襯底，先在載玻片上沉積一層具有粗糙表面的金屬銅薄膜作直接襯底，然后施加襯底負偏壓，利用尖端集電原理誘使入射銅原子在直接襯底上進行選擇性優先沉積，從而獲得NPC薄膜。本專利技術的實驗裝置圖如圖1所示。實施例1 : 1)采用JGP500A型BMS鍍膜系統，先將干凈的載玻片襯底固定在樣品盤上，再將純度為99. 99%的銅靶安裝在射頻源上，并調節襯底與銅靶之間的距離為15cm ； 2)關上腔門抽真空至5.0X10—4 Pa，然后通流量為15SCCm、純度為99. 999%的高純Ar氣，并保持腔室氣壓為0.1pa ； 3)在室溫和不外加偏壓條件下，先用RFIOOff的功率在載玻片上預濺射一層30nm厚的銅膜(見圖2 (a))，作為NPC薄膜的直接襯底； 4)在室溫和外加偏壓為DC- 100V條件下，再用RF IOOff的功率進一步濺射沉積120nm， 從而獲得多孔的三棱柱狀結構NPC薄膜(見圖3)。其中，三棱柱的截面尺寸約42nm，溝壑寬度約20nm。實施例2: 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
納米多孔銅薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：1）采用JGP500A型平衡磁控濺射鍍膜系統，先將干凈的絕緣載玻片固定在樣品盤上作為NPC薄膜的間接襯底，再將純度為99.99%的銅靶安裝在射頻源上，并調節襯底與銅靶之間的距離為15cm；2）關上腔門抽真空至5.0×10?4?Pa，然后通流量為15sccm、純度為99.999%的高純Ar氣，并保持腔室氣壓為0.1pa；3）在室溫和施加0V或–100V直流偏壓條件下，用RF100W的功率先在絕緣載玻片上預濺射一層金屬銅膜，作為NPC薄膜的直接襯底；4）在室溫和施加–100V直流偏壓條件下，再用RF100W的功率作進一步濺射沉積，誘導入射銅原子在銅膜襯底表面上進行選擇性優先沉積，制備得到NPC薄膜。

【技術特征摘要】
1.納米多孔銅薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟1)采用JGP500A型平衡磁控濺射鍍膜系統，先將干凈的絕緣載玻片固定在樣品盤上作為NPC薄膜的間接襯底，再將純度為99. 99%的銅靶安裝在射頻源上，并調節襯底與銅靶之間的距離為15cm ；2)關上腔門抽真空至5.0X10—4 Pa，然后通流量為15sCCm、純度為99. 999%的高純Ar氣，并保持腔室氣壓為O.1pa ；3)在室溫和施加OV或-100V直流偏壓條件下，用RF100W的功率先在絕緣載玻片上預濺射一層金屬銅膜，作為NPC薄膜的直接襯底；4)在室溫和施加-100V直流偏壓條件下，再用RF100...

【專利技術屬性】
技術研發人員：蘇江濱，蔣美萍，王紅紅，
申請(專利權)人：常州大學，
類型：發明
國別省市：