一種碳微納米材料/氮化鋁復(fù)合薄膜的制備方法，屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及碳微納米材料/氮化鋁復(fù)合薄膜的制備方法。首先將加入氫氟酸的聚乙烯亞胺水溶液與五水硝酸鋁混合得到鋁聚合物水溶液，并濾去鋁聚合物水溶液中大部分水和游離的離子得到鋁前驅(qū)液；其次將表面處理過的碳微納米材料與Al按1::10～30的質(zhì)量比添加于鋁前驅(qū)溶液中，并超聲使碳微納米材料分散，得到碳微納米材料與鋁的復(fù)合前驅(qū)液；然后將復(fù)合前驅(qū)液旋涂于基片上，最后通過熱處理獲得碳微納米材料與氮化鋁的復(fù)合薄膜。本發(fā)明專利技術(shù)所制備的碳微納米材料與氮化鋁的復(fù)合薄膜的熱導(dǎo)率優(yōu)于氮化鋁薄膜，同時具有良好的工藝可控性和重復(fù)性。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于材料
，涉及碳微納米材料與氮化鋁的復(fù)合薄膜的制備方法。
技術(shù)介紹
隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微電子集成度不斷提高，功率密度不斷增大，集成散熱也成為了提高微電子器件可靠性必須解決的問題。氮化鋁(AlN)薄膜由于其絕緣性好、介電常數(shù)大、熱導(dǎo)率高、與硅匹配的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)勢，也成為了微電子器件散熱涂層材料的主要研究對象之一，但是國內(nèi)外所報(bào)道的AlN薄膜的熱導(dǎo)率與塊材有相當(dāng)大的差別。而通過添加高熱導(dǎo)率的微納米材料(碳納米管、金剛石粉、金屬微粉等)來提高整體材料熱導(dǎo)率的方法受到了許多的研究，尤其是以環(huán)氧樹脂等有機(jī)材料為基體的復(fù)合高熱導(dǎo)率材料已廣泛應(yīng)用于微電子封裝工藝中。但是在如AlN等無機(jī)材料薄膜中添加高熱導(dǎo)率的碳基微納米材料來提高熱導(dǎo)率的仍少見報(bào)道，主要是在合成這類復(fù)合材料的工藝仍存在一定難度。而本專利技術(shù)即利用高熱導(dǎo)率的碳微納米材料(碳納米管、金剛石粉)對AlN薄膜進(jìn)行添加改性，得到高熱導(dǎo)率的復(fù)合薄膜。目前，制備AlN薄膜常見的方法有射頻磁控濺射、激光脈沖沉積、分子束外延、化學(xué)氣相沉積、溶膠凝膠法和高分子輔助沉積法等。相比較于其他制備AlN薄膜的物理方法而言，高分子輔助法具有設(shè)備簡單、操作簡便、低成本等優(yōu)點(diǎn)獲得廣泛的關(guān)注，而更主要的是高分子輔助沉積法利于制備碳微納米材料摻雜的AlN薄膜，而避免了物理方法中，微納米材料難以摻入到AlN薄膜中的難題。本專利技術(shù)基于滲透理論(percolation theory)、有效勻質(zhì)理論(effective media theory, EMT)等理論以及高分子輔助沉積法添加微納米材料的實(shí)驗(yàn)可行性，利用高分子輔助沉積法制備了碳微納米材料/AlN復(fù)合薄膜。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)旨在提供一種基于水溶劑化學(xué)溶液法制備碳微納米材料與AlN的復(fù)合薄膜的方法，該方法通過將五水硝酸鋁、表面處理過的碳微納米材料溶于水溶性聚合物溶液中，通過旋涂、熱處理最終成膜。在熱處理過程在高溫管式爐中完成，用氨氣提供氮源，通過對還原性氣氛和氨氣的調(diào)控實(shí)現(xiàn)薄膜的制備。本專利技術(shù)能夠獲得熱導(dǎo)率較同等條件下制備的未摻雜的AlN薄膜更高的碳微納米材料/AlN復(fù)合薄膜。本專利技術(shù)具體技術(shù)方案是:一種碳微納米材料與AlN的復(fù)合薄膜的制備方法，如圖1所示，包括以下步驟:步驟1:配制鋁聚合物水溶液。首先將帶有堿性基團(tuán)的水溶性聚合物(如聚乙烯亞胺)溶于水，得到溶液A (呈淺黃色);然后往溶液A中加入氫氟酸，得到溶液B (同樣呈淺黃色)；最后往溶液B中緩慢加入五水硝酸鋁，攪拌至溶液澄清透明，得到鋁聚合物溶液C。步驟2:獲得碳微納米材料與鋁的復(fù)合前驅(qū)液。采用超濾裝置，利用高壓普氮，濾去鋁聚合物溶液C中大部分水和游離的離子，得到濃縮的鋁高分子前驅(qū)溶液。將表面處理過的碳微納米材料按照C:A1=1:1(T30的質(zhì)量比添加于濃縮的鋁高分子前驅(qū)溶液中(其中，若碳微納米材料采用金剛石粉，則金剛石粉用HF進(jìn)行表面處理；若碳微納米材料采用碳納米管，則碳納米管用濃H2SO4:濃HN03=3:1的混合酸進(jìn)行處理)，并超聲使碳微納米材料分散，從而得到碳微納米材料與鋁的復(fù)合前驅(qū)液。步驟3:旋涂碳微納米材料與鋁的復(fù)合前驅(qū)液于基片。將步驟2所得碳微納米材料與鋁的復(fù)合前驅(qū)液旋涂于清潔的基片表面。目標(biāo)產(chǎn)物碳微納米材料與AlN的復(fù)合薄膜的厚度通過多次旋涂加以控制。步驟4:熱處理，獲得碳微納米材料與AlN的復(fù)合薄膜。將步驟3旋涂了碳微納米材料與鋁的復(fù)合前驅(qū)液的基片在還原性氣氛中升溫至70(Ti20(rc，然后在氨氣氣氛下熱處理I小時及以上，冷卻后得到最終的碳微納米材料與AlN的復(fù)合薄膜。需要說明的是:1、本專利技術(shù)所述熱處理過程的實(shí)現(xiàn)裝置可采用高溫管式爐，其中還原氣氛可采用氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w。2、本專利技術(shù)在熱處理燒結(jié)過程在采用高溫管式爐中完成，采用還原性氣體為保護(hù)氣體，并由氨氣提供氮源，最終實(shí)現(xiàn)碳微納米材料/AlN復(fù)合薄膜的制備。綜上所述，本專利技術(shù)提供的基于溶液法的碳微納米材料與AlN的復(fù)合薄膜的制備方法，能夠獲得熱導(dǎo)率優(yōu)于AlN薄膜的復(fù)合薄膜，同時具有良好的工藝可控性和重復(fù)性。附圖說明圖1為本專利技術(shù)流程示意圖。圖2為本專利技術(shù)制備的AlN薄膜的成分分析結(jié)果。其中通過A12p (73.9eV)和Nls(396.8eV)的鍵能(bonding energy)確定了該方法可以制備AlN薄膜，而且結(jié)合XRD分析結(jié)果(此處未給出)可以判斷，該化學(xué)溶液法在此條件下制備的AlN薄膜為非晶或微晶的AlN薄膜。圖3為本專利技術(shù)制備的碳微納米材料與AlN的復(fù)合薄膜的熱導(dǎo)率測試結(jié)果。其中，A1N+1 μ mDiamond particles, A1N+MWCNT, AIN, AlN+10nm Diamond particles 分別為 Ium金剛石粉與AlN的復(fù)合薄膜，MWCNT與AlN的復(fù)合薄膜，AlN薄膜和IOnm金剛石粉與AlN的復(fù)合薄膜的熱導(dǎo)率結(jié)果。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本專利技術(shù)作進(jìn)一步說明:實(shí)施例1:1.取聚乙烯亞胺4.0g于燒杯中加入80mL去離子水，攪拌至完全溶解，加入3mL氫氟酸，超聲至溶液均一，再緩慢加入2.0g的五水硝酸鋁，攪拌至溶液黃棕色澄清透明，使用美國Millipore公司生產(chǎn)的Amicon8050型超濾裝置,濾去溶液中游離的離子，形成招高分子前驅(qū)溶液。 2.將多壁碳納米管(MWCNT)置于濃H2SO4:濃HN03=3:1的混合酸中10小時后，經(jīng)過反復(fù)清洗、過濾、烘干，再將所得MWCNT加入40mL去離子水中，并攪拌2小時，再經(jīng)反復(fù)清洗、過濾、烘干得到表面處理的MWCNT。將前述MWCNT取0.005g置于步驟I所得的15mL鋁高分子前驅(qū)溶液中，超聲處理10分鐘，獲得MWCNT與鋁的復(fù)合前驅(qū)液。3.取Si (100)取向的硅基片，先使用丙酮、乙醇和去離子水依次超聲清洗3分鐘，再用10%的HF浸泡3分鐘,然后用去離子水和乙醇超聲3分鐘,最后用氮?dú)獯蹈纱谩?.將步驟2所得MWCNT與鋁的復(fù)合前驅(qū)液旋涂在硅基片上，用甩膠機(jī)甩平，甩膠機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min時間為30s。甩膠后的基片置于恒溫烘箱中烘60min，取出在空氣中冷卻后，重復(fù)旋涂操作多次。5.把步驟4所得樣品放入陶瓷舟內(nèi)，放置于高溫管式爐(科晶GSL-1400X)的恒溫區(qū)內(nèi)，設(shè)定熱處理工藝，具體為:從室溫升溫到510°C，升溫速率為1°C /min;在510°C保溫60min ;然后升溫至1000°C，升溫速度為10°C /min ;在1000°C保溫60min ;從1000°C降至室溫取出樣品，降溫速率為10°C /min ;即制得MWCNT與AlN的復(fù)合薄膜。其中室溫升溫至5100C以及1000°C再降至室溫時，通混合氣體保護(hù)，混合氣體的具體組分為94%的N2加6%的H2，其余時間通入氨氣，提供制備薄膜所需的氮源。6.MWCNT與AlN的復(fù)合薄膜的鑒定與性能測試對碳納米管所采用的預(yù)處理方式及碳納米管與帶有堿性基團(tuán)的水溶性聚合物之間的作用保證了碳微納米材料/鋁前驅(qū)液具有良好的溶液均勻性。由于XPS測試A12p和Nls分譜結(jié)果相同，其A12p和Nls的鍵能(bonding energy)分別為73.9eV和396.8eV,故只展示了 AlN薄膜的XPS結(jié)果(圖2)。由圖3可以看出，在室溫下，本專利技術(shù)制本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種碳微納米材料與AlN的復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟：步驟1：配制鋁聚合物水溶液；首先將帶有堿性基團(tuán)的水溶性聚合物溶于水，得到溶液A；然后往溶液A中加入氫氟酸，得到溶液B；最后往溶液B中緩慢加入五水硝酸鋁，攪拌至溶液澄清透明，得到鋁聚合物溶液C；步驟2：獲得碳微納米材料與鋁的復(fù)合前驅(qū)液；采用超濾裝置，利用高壓普氮，濾去鋁聚合物溶液C中大部分水和游離的離子，得到濃縮的鋁高分子前驅(qū)溶液；將表面處理過的碳微納米材料按照C:Al=1:10~30的質(zhì)量比添加于濃縮的鋁高分子前驅(qū)溶液中，并超聲使碳微納米材料分散，從而得到碳微納米材料與鋁的復(fù)合前驅(qū)液；步驟3：旋涂碳微納米材料與鋁的復(fù)合前驅(qū)液于基片；將步驟2所得碳微納米材料與鋁的復(fù)合前驅(qū)液旋涂于清潔的基片表面；目標(biāo)產(chǎn)物碳微納米材料與AlN的復(fù)合薄膜的厚度通過多次旋涂加以控制；步驟4：熱處理，獲得碳微納米材料與AlN的復(fù)合薄膜；將步驟3旋涂了碳微納米材料與鋁的復(fù)合前驅(qū)液的基片在還原性氣氛中升溫至700~1200℃，然后在氨氣氣氛下熱處理1小時及以上，冷卻后得到最終的碳微納米材料與AlN的復(fù)合薄膜。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種碳微納米材料與AlN的復(fù)合薄膜的制備方法，包括以下步驟: 步驟1:配制鋁聚合物水溶液；首先將帶有堿性基團(tuán)的水溶性聚合物溶于水，得到溶液A ;然后往溶液A中加入氫氟酸，得到溶液B ;最后往溶液B中緩慢加入五水硝酸鋁，攪拌至溶液澄清透明，得到鋁聚合物溶液C ； 步驟2:獲得碳微納米材料與鋁的復(fù)合前驅(qū)液；采用超濾裝置，利用高壓普氮，濾去鋁聚合物溶液C中大部分水和游離的離子，得到濃縮的鋁高分子前驅(qū)溶液；將表面處理過的碳微納米材料按照C:A1=1:1(T30的質(zhì)量比添加于濃縮的鋁高分子前驅(qū)溶液中，并超聲使碳微納米材料分散，從而得到碳微納米材料與鋁的復(fù)合前驅(qū)液； 步驟3:旋涂碳微納米材料與鋁的復(fù)合前驅(qū)液于基片；將步驟2所得碳微納米材料與鋁的復(fù)合前驅(qū)液旋涂于清潔的基片表面；目標(biāo)產(chǎn)物碳微納米材料與AlN的復(fù)合薄膜的厚度通過多次旋涂加以控制； 步驟4:熱處理，獲得碳微納米材料與AlN的復(fù)合薄膜；將步...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：林媛，黃江，潘泰松，張胤，
申請(專利權(quán))人：電子科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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