一种Cu-Ti非晶合金薄膜及其制备方法

摘要

本发明公开了一种Cu‑Ti非晶合金薄膜及其制备方法，其特征在于：非晶合金薄膜的结构式为CuxTi100‑x(54≤x≤66)，其中x为Cu元素的原子百分数；与通常的制备工艺不同的是，该非晶合金薄膜通过电子束+电阻蒸发复合镀膜的技术，在制备过程中，金属Ti和金属Cu分别采用电子束和电阻蒸发源蒸镀，衬底基板不需要加冷却装置，简化了制备工艺，降低了生产成本。本发明制备的非晶薄膜，非晶结构明显，可以通过调节蒸镀电流和蒸镀时间，控制非晶薄膜的成分和尺寸。

权利要求

1.一种Cu-Ti非晶合金薄膜的制备方法，所述Cu-Ti非晶合金薄膜的结构式为CuxTi100-x，54≤x≤66，其中x为Cu元素的原子百分数，其特征在于包括以下步骤：(1)切取Cu块和Ti块，将Cu块和Ti块表面打磨，用丙酮和酒精依次清洗各10min，吹干待用；

(2)使用电子束蒸发与电阻蒸发复合镀膜系统，将Ti块和Cu块作为靶材分别放置在电子束蒸发用铜坩埚和电阻蒸发用钨舟中，将衬底放置在位于铜坩埚上方的衬底托盘上；

(3)抽真空至1×10-4Pa以下，调节电子束束流值在150～160mA，调节电阻蒸发电流为

115～135A，使Ti和Cu同时蒸发并沉积在衬底上，控制沉积时间为1～4h，即得沉积有Cu-Ti非晶合金薄膜的衬底；

通过在150～160mA范围内调整电子束束流值和在115～135A范围内调整电阻蒸发电流获得不同成分的Cu-Ti非晶合金薄膜；通过在1～4h范围内调整沉积时间获得不同厚度的Cu-Ti非晶合金薄膜。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：原材料Ti块和Cu块的纯度均不低于

99.9wt.％。

说明书

一种Cu-Ti非晶合金薄膜及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于非晶合金薄膜材料技术领域，具体的说是涉及一种Cu-Ti非晶合金薄膜及其制备方法。

背景技术

[0002] 非晶合金是上个世纪60年代开始开发的一种新型金属材料，与普通的晶态合金相比，因其具有更加优异的力学性能、磁学性能、抗腐蚀性能以及生物兼容性，从而受到了材料领域的广泛关注，并被认为具有极其广泛的应用潜力。

[0003] 非晶合金薄膜不仅具有块体非晶合金的优异特点，而且因为其类似于二维材料的特点，制备所需的要求也更低，玻璃形成能力范围更宽。此外，非晶合金薄膜具有优秀的均匀性、耐磨和耐腐蚀性、高硬度、高电阻性、高活性和催发性以及许多特殊的磁学性质。因为其优良的物理和化学性能，最近十多年非晶合金薄膜的开发、应用发展迅速，尤其在微/纳电子机械系统(MEMS/NEMS)与生物医学领域，具有很重要的潜在应用价值。

[0004] Cu基非晶合金自从被开发以来，因为其较低的成本以及优良的力学性能受到材料领域的关注，被认为具体广泛的应用前景。目前，在制备非晶薄膜的工艺当中：1)磁控溅射法，其制备的薄膜和基片结合力更牢固，但由于采用磁控溅射法需氩离子轰击靶材，制备样品易含有杂质，且需制备靶材，操作过程复杂，成本较高；2)采用固相非晶化反应法需探索反应时间、反应温度、单层薄膜厚度的适宜值，过程繁琐，且制备时间较长；3)采用双电子束蒸发法时，基板会因两电子束蒸发源热辐射的影响，致使温度较高，一般采用衬底冷却装置。

[0005] 采用电子束+电阻蒸发法制备的Cu-Ti非晶合金薄膜，操作简单，成本低廉，具有重要的研究意义。

发明内容

[0006] 本发明在考虑非晶合金薄膜的形成能力以及生产成本的前提下，提供了一种新型Cu-Ti非晶合金薄膜以及制备方法，以期可以在衬底基板无冷却装置条件下获得非晶态的Cu-Ti合金薄膜。

[0007] 本发明解决技术问题，采用如下技术方案

[0008] 本发明的Cu-Ti非晶合金薄膜，其特点在于：所述Cu-Ti非晶合金薄膜的结构式为CuxTi100-x(54≤x≤66)，其中x为Cu元素的原子百分数。

[0009] 上述的Cu-Ti非晶合金薄膜的具体制备过程如下：

[0010] (1)切取Cu块和Ti块，将Cu块和Ti块表面打磨，用丙酮和酒精依次清洗各10min，吹干待用；

[0011] (2)使用电子束蒸发与电阻蒸发复合镀膜系统，将Ti块和Cu块作为靶材分别放置在电子束蒸发用铜坩埚和电阻蒸发用钨舟中，将衬底放置在位于铜坩埚上方的衬底托盘上，不需要冷却装置；

[0012] (3)抽真空至1×10-4Pa以下，调节电子束束流值在150～160mA，调节电阻蒸发电流为115～135A，使Ti和Cu同时蒸发并沉积在衬底上，控制沉积时间为1～4h，即得沉积有Cu-Ti非晶合金薄膜的衬底。

[0013] 通过在150～160mA范围内调整电子束束流值和在115～135A范围内调整电阻蒸发电流获得不同成分的Cu-Ti非晶合金薄膜；通过在1～4h范围内调整沉积时间获得不同厚度的Cu-Ti非晶合金薄膜。

[0014] 原材料Ti块和Cu块的纯度均不低于99.9wt.％。

[0015] 上述的Cu-Ti非晶合金薄膜采用电子束蒸发与电阻蒸发复合镀膜系统制备，所用的设备型号为：DZS-500型电子束/电阻蒸发镀膜系统，中科仪，中国(沈阳)。

[0016] 上述Cu-Ti非晶合金薄膜的非晶结构特性采用X射线衍射法(XRD)检测，所用设备型号为：X’Pert Pro MPD X射线衍射仪，帕纳科(Panalytical)，荷兰。

[0017] 上述Cu-Ti非晶合金薄膜的表面形貌及成分采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)及附带的能谱仪(EDS)检测，所用设备型号为：SU8020，日本日立，日本。

[0018] 本发明的有益效果体现在：

[0019] (1)本发明的Cu-Ti非晶合金薄膜在较宽的成分范围内均能制备出非晶态薄膜，并且可以通过调节电子束束流值、电阻蒸发电流和蒸镀时间来控制非晶薄膜的成分和厚度；

[0020] (2)本发明的Cu-Ti非晶合金薄膜采用电子束加电阻蒸发复合镀膜的技术，在制备过程中，金属Ti和金属Cu分别采用电子束蒸发源和电阻蒸发源蒸镀，衬底基板不需要加冷却装置，简化了制备工艺，降低了生产成本。

附图说明

[0021] 图1为实施例1-5制备的合金薄膜的XRD图，试验使用Cu靶的Kα射线；

[0022] 图2为实施例2制备的合金薄膜的SEM表面形貌图；

[0023] 图3为实施例2制备的合金薄膜的SEM端面形貌图。

具体实施方式

[0024] 实施例1：Cu82Ti18合金薄膜的制备

[0025] 步骤1：将原材料Ti(99.9wt％)，Cu(99.9wt％)打磨去掉表面氧化皮，并经过丙酮，酒精超声清洗各10min后，分别置于铜坩埚与钨舟内，将衬底玻璃片与硅片经丙酮、酒精、去离子水超声清洗各10min后，吹干置于衬底托盘上；

[0026] 步骤2：关进气阀，开冷却水，将排气管置于窗外，开镀膜设备总电源，开机械泵电源，打开旁抽阀，打开真空计，待真空度小于10Pa时，关闭旁抽阀，打开电磁阀，打开闸板阀，-4开启分子泵电源，当真空度低于1×10 Pa时，开启电子枪电源，按扫描键，开枪灯丝电源，调为0.3A，预热5分钟，束流控制调为手动，打开高压6KV，检查手控仪上束流是否为最小，按下高压键，稳定2分钟，顺时针加大束流至25mA，调节光斑位置使其位于坩埚内，缓慢增加束流至150mA，打开电阻蒸发电源，缓慢增加电流至135A，打开衬底旋转开关，使其以20r/min旋转，打开挡板，沉积2小时后关闭；

[0027] 步骤3：对上述步骤2所制得样品通过能谱仪检测其成分，可知所得样品的成分平均为Cu82Ti18；

[0028] 步骤4：对上述步骤2所制得样品通过XRD检测其结构，如图1所示，出现明显的晶体峰，其中第一个馒头峰为玻璃衬底干扰峰，第二个峰为样品峰明显尖锐化(40°～50°)，说明制备的样品已经部分晶化。

[0029] 实施例2：Cu66Ti34非晶合金薄膜的制备

[0030] 步骤1：将原材料Ti(99.9wt％)，Cu(99.9wt％)打磨去掉表面氧化皮，并经过丙酮，酒精超声清洗各10min后，分别置于铜坩埚与钨舟内，将衬底玻璃片与硅片经丙酮，酒精，去离子水超声清洗各10min后，吹干置于衬底托盘上；

[0031] 步骤2：关进气阀，开冷却水，将排气管置于窗外，开镀膜设备总电源，开机械泵电源，打开旁抽阀，打开真空计，待真空度小于10Pa时，关闭旁抽阀，打开电磁阀，打开闸板阀，开启分子泵电源，当真空度低于1×10-4Pa时，开启电子枪电源，按扫描键，开枪灯丝电源，调为0.3A，预热5分钟，束流控制调为手动，打开高压6KV，检查手控仪上束流是否为最小，按下高压键，稳定2分钟，顺时针加大束流至25mA，调节光斑位置使其位于坩埚内，缓慢增加束流至155mA，打开电阻蒸发电源，缓慢增加电流至130A，打开衬底旋转开关，使其以20r/min旋转，打开挡板，沉积2小时后关闭；

[0032] 步骤3：对上述步骤2所制得样品通过能谱仪检测其成分，可知所得样品的成分平均为Cu66Ti34非晶合金；

[0033] 步骤4：对上述步骤2所制得样品通过XRD检测其结构，如图1所示，没有出现明显的晶体峰，其中第一个馒头峰为玻璃衬底干扰峰，第二个馒头峰为样品峰(40°～50°)，说明制备的样品非晶态结构。

[0034] 步骤5：对上述步骤2所制备的样品通过SEM检测其表面形貌，如图2所示，薄膜表面平整致密，没有明显裂纹。

[0035] 步骤6：对上述步骤2所制备的样品通过SEM检测其厚度，如图3所示，该薄膜约为236nm。

[0036] 实施例3：Cu60Ti40非晶合金薄膜的制备

[0037] 步骤1：将原材料Ti(99.9wt％)，Cu(99.9wt％)打磨去掉表面氧化皮，并经过丙酮，酒精超声清洗各10min后，分别置于铜坩埚与钨舟内，将衬底玻璃片与硅片经丙酮，酒精，去离子水超声清洗各10min后，吹干置于衬底托盘上；

[0038] 步骤2：关进气阀，开冷却水，将排气管置于窗外，开镀膜设备总电源，开机械泵电源，打开旁抽阀，打开真空计，待真空度小于10Pa时，关闭旁抽阀，打开电磁阀，打开闸板阀，开启分子泵电源，当真空度低于1×10-4Pa时，开启电子枪电源，按扫描键，开枪灯丝电源，调为0.3A，预热5分钟，束流控制调为手动，打开高压6KV，检查手控仪上束流是否为最小，按下高压键，稳定2分钟，顺时针加大束流至25mA，调节光斑位置使其位于坩埚内，缓慢增加束流至155mA，打开电阻蒸发电源，缓慢增加电流至125A，打开衬底旋转开关，使其以20r/min旋转，打开挡板，沉积2小时后关闭；

[0039] 步骤3：对上述步骤2所制得样品通过能谱仪检测其成分，可知所得样品的成分平均为Cu60Ti40；

[0040] 步骤4：对上述步骤2所制得样品通过XRD检测其结构，如图1所示，没有出现明显的晶体峰，其中第一个馒头峰为玻璃衬底干扰峰，第二个馒头峰为样品峰(40°～50°)，说明制备的样品非晶态结构。

[0041] 实施例4：Cu59Ti41非晶合金薄膜的制备

[0042] 步骤1：将原材料Ti(99.9wt％)，Cu(99.9wt％)打磨去掉表面氧化皮，并经过丙酮，酒精超声清洗各10min后，分别置于铜坩埚与钨舟内，将衬底玻璃片与硅片经丙酮，酒精，去离子水超声清洗各10min后，吹干置于衬底托盘上；

[0043] 步骤2：关进气阀，开冷却水，将排气管置于窗外，开镀膜设备总电源，开机械泵电源，打开旁抽阀，打开真空计，待真空度小于10Pa时，关闭旁抽阀，打开电磁阀，打开闸板阀，开启分子泵电源，当真空度低于1×10-4Pa时，开启电子枪电源，按扫描键，开枪灯丝电源，调为0.3A，预热5分钟，束流控制调为手动，打开高压6KV，检查手控仪上束流是否为最小，按下高压键，稳定2分钟，顺时针加大束流至25mA，调节光斑位置使其位于坩埚内，缓慢增加束流至160mA，打开电阻蒸发电源，缓慢增加电流至125A，打开衬底旋转开关，使其以20r/min旋转，打开挡板，沉积2小时后关闭；

[0044] 步骤3：对上述步骤2所制得样品通过能谱仪检测其成分，可知所得样品的成分平均为Cu59Ti41；

[0045] 步骤4：对上述步骤2所制得样品通过XRD检测其结构，如图1所示，没有出现明显的晶体峰，其中第一个馒头峰为玻璃衬底干扰峰，第二个馒头峰为样品峰(30°～45°)，说明制备的样品非晶态结构。

[0046] 实施例5：Cu54Ti46非晶合金薄膜的制备

[0047] 步骤1：将原材料Ti(99.9wt％)，Cu(99.9wt％)打磨去掉表面氧化皮，并经过丙酮，酒精超声清洗各10min后，分别置于铜坩埚与钨舟内，将衬底玻璃片与硅片经丙酮，酒精，去离子水超声清洗各10min后，吹干置于衬底托盘上；

[0048] 步骤2：关进气阀，开冷却水，将排气管置于窗外，开镀膜设备总电源，开机械泵电源，打开旁抽阀，打开真空计，待真空度小于10Pa时，关闭旁抽阀，打开电磁阀，打开闸板阀，开启分子泵电源，当真空度低于1×10-4Pa时，开启电子枪电源，按扫描键，开枪灯丝电源，调为0.3A，预热5分钟，束流控制调为手动，打开高压6KV，检查手控仪上束流是否为最小，按下高压键，稳定2分钟，顺时针加大束流至25mA，调节光斑位置使其位于坩埚内，缓慢增加束流至160mA，打开电阻蒸发电源，缓慢增加电流至120A，打开衬底旋转开关，使其以20r/min旋转，打开挡板，沉积2小时后关闭；

[0049] 步骤3：对上述步骤2所制得样品通过能谱仪检测其成分，可知所得样品的成分平均为Cu54Ti46；

[0050] 步骤4：对上述步骤2所制得样品通过XRD检测其结构，如图1所示，没有出现明显的晶体峰，其中第一个馒头峰为玻璃衬底干扰峰，第二个馒头峰为样品峰(40°～50°)，说明制备的样品非晶态结构。