一种纳米多孔晶态无机薄膜材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米多孔晶态无机薄膜材料的制备方法，该方法是采用磁控溅射沉积和等离子体刻蚀相结合的方式，在低温、无模板剂和无表面活性剂下制备纳米多孔晶态无机薄膜。此类多孔薄膜为氮化物（如氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN)、氮化锆(ZrN)等）、氧化物（氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)等）、碳化物（碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)等）和金属（镍(Ni)、铜(Cu)等），其孔径尺寸从1 nm到1000 nm和孔道结构从蠕虫状到简单六方是可调节的，且多孔薄膜与基底材料结合牢固，具有高的机械强度。因此，此类多孔薄膜适合应用于催化、药物、润滑、疏水、光学等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无机材料制备
，尤其涉及一种在低温下制备纳米尺度的多孔晶态无机薄膜材料的方法。
技术介绍
多孔无机薄膜材料作为材料科学的一个重要分支，对我们的科学研究、工业生产和日常生活等方面具有极其重要的意义。而随着人们对纳米结构认识的深入，纳米多孔无机薄膜材料为多孔材料的发展带来了新的机遇，使这一领域备受关注。纳米多孔无机薄膜材料的孔径可从几纳米到数百纳米不等，并且依据不同成分和处理方法可以将其孔道结构和孔径尺寸进行精确控制。纳米多孔无机薄膜材料通常具有大比表面积、好的化学稳定性、好的热稳定性、高透过率、耐气候性、抗腐蚀、高机械强度等性能，使其相比于多孔聚合物薄膜拥有难以取代的优异性质，而用于冶金、化工、环保、能源、生物等行业中。当今，绿色、节能、高效已成为材料技术发展的主流趋势，人们对纳米多孔无机薄膜材料的功能和制备方法提出了更多的要求，开发和制备纳米多孔无机薄膜材料被视为科研工作者的重要任务。目前，制备纳米多孔无机薄膜材料的主要方法有溶剂热法、溶胶-凝胶法、化学气相法、激光刻蚀法、自组装模板法、有机前驱体热解法、电化学腐蚀法、硬模板法、微波法等。虽然使用这些方法制备的纳米多孔无机薄膜材料已经应用于工业生产中，但其仍然面临着许多问题。首先，通过这些方法得到的纳米多孔硅基薄膜通常为无定形结构，易于与水等极性介质作用，因而热性能和水热性能不佳。相对来说，纳米多孔非硅基薄膜能具有晶态孔壁，显示了高的热稳定性，但是非硅基材料一般皆为蠕虫状介孔结构。其次，使用模板法制备纳米多孔无机薄膜时，模板剂往往与无机骨架结构具有较强的相互作用，而难以脱除。高温煅烧可以去除表面活性剂，但通常会破坏纳米多孔结构。最后，上述方法在制备纳米多孔无机薄膜时经常要使用到表面活性剂，而其昂贵的价格和难以再生的特性都为纳米多孔无机薄膜的制备带来了高的成本负担和一定的环境污染。因此，发展一种在低温、无模板剂和无表面活性剂下制备晶态孔壁的纳米多孔无机薄膜的方法是必须的，但也充满了挑战。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是利用磁控溅射沉积和等离子体刻蚀相结合的方式，在低温、无模板剂和无表面活性剂下制备纳米多孔晶态无机薄膜，该多孔薄膜能够为氮化物(如氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN)、氮化锆(ZrN)等)、氧化物(氧化钛(Ti02)、氧化锆(Zr02)等)、碳化物(碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)等)和金属(镍(Ni)、铜(Cu)等)，其孔径尺寸为1 nm到1000nm，厚度为50?800 nm，孔道结构从婦虫状到简单六方是可调节的，且多孔薄膜与基底材料结合牢固。本专利技术的原理是利用磁控溅射掠射角沉积技术的阴影效应在基底上制备疏松或多孔的金属材料，然后通过等离子体的刻蚀特性对金属薄膜进行孔洞的产生和孔径的扩大，从而获得纳米多孔金属薄膜。另外，利用无定形碳材料易被刻蚀的特性，采用磁控溅射共沉积无定形碳和无机材料(氮化物、氧化物和碳化物)的方式，获得具有无机材料骨架的复合材料，然后通过对应的等离子体(氮气(N2)、氧气(02)和氩气(Ar))进行刻蚀，形成纳米多孔晶态无机薄膜。—种纳米多孔晶态无机薄膜材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下: 1)采用磁控溅射设备沉积制备无机薄膜，其中，靶材为纯金属靶，制得氮化物、氧化物、碳化物和金属薄膜所用的溅射气体依次为N2+Ar+CH4、02+Ar+CH4、Ar+CH4、Ar+CH4，总压强为0.4?4.0 Pa，CH4分压为0?50%，N2分压为5?40%，02分压为5?40%，沉积尚子入射角度与基底成0?90°，靶材与基底的距离为5?20 cm，沉积时间为5?180 min，初始腔室温度为15?45 °C，施加于所述靶材上的直流电源的功率为200?1600 W，施加于所述基底上的负偏压和占空比分别为0?-400 V和40?90%，沉积结束时腔室温度在100 °C以下，其中沉积所制备的薄膜在低沉积离子入射角度和无定形碳形成的协同作用下将具有疏松或多孔的结构以及易被刻蚀的成分； 2)采用低温等离子体技术在所述薄膜实行刻蚀，其中制得氮化物、氧化物、碳化物和金属薄膜所用的等离子气体依次为N2、02 ^^六厂总压强为1.0?4.5 Pa，初始腔室温度为15?45 °C，施加于所述薄膜的负偏压和占空比分别为-500?-1200 V和40?90%，刻蚀结束时腔室温度在100 °C以下，其中刻蚀时间为20?180 min以在低温下快速刻蚀无定形碳成分和疏松结构而使得无机薄膜形成纳米多孔结构。制得所述氮化物、氧化物、碳化物薄膜所用的金属靶为钛、铬或锆。制得所述金属薄膜所用的金属靶为镍或铜。所述沉积离子入射角度为60?90°。所述沉积时总压强为1.0?3.0 Pa ο所述施加于靶材上的直流电源的功率为400?800 Wo所述沉积时CH4分压为20?40%。所述刻蚀过程中，施加于所述薄膜的负偏压和占空比分别为-800?-1200 V和60?80%o本专利技术采用操作较为简单的磁控溅射法，通过选择适当的工艺参数，在低的沉积离子入射角度下，适当的总压强和电源功率能够使沉积离子的迀移能力降低，沉积速率下降，从而在阴影效应下生成疏松或多孔的无机薄膜;调整CH4分压能够控制薄膜中无定形碳的含量，从而在低温等离子体刻蚀下能制备不同孔径的纳米多孔晶态无机薄膜;在高的负偏压和适当的占空比下，采用低温等离子体技术对所述薄膜实施刻蚀，获得纳米多孔晶态无机薄膜;重要的是，在沉积和刻蚀过程中，由于N2、02、CH4和Ar气体的参与，以及高的粒子离化率，能分别形成晶态的氮化物、氧化物、碳化物和金属的纳米多孔薄膜。因此，通过本专利技术的制备方法能够制备纳米多孔晶态无机薄膜材料。本专利技术中，在沉积和刻蚀过程中无需使用表面活性剂和模板剂，且无需进行加热，从而有利于在环保、节能和无损条件下制备纳米多孔晶态无机薄膜。本专利技术镀膜和低温等离子体设备、电源、靶材以及气体都极为简单，易于操作和使用，可进行大面积生产。本专利技术所述纳米多孔晶态无机薄膜与基底有较好的结合力，其值为15?35N。同时，纳米多孔晶态无机薄膜的硬度值为5?35 GPa。本专利技术所述纳米多孔晶态无机薄膜材料具有晶相结构，能够维持高的热稳定性和水热稳定性。本专利技术所述纳米多孔晶态无机薄膜有高的比表面积和机械强度，若在该多孔薄膜表面沉积催化剂、低表面能物质或润滑物质，能达到高催化性能、超疏水或超润滑的性质。本专利技术所述纳米多孔晶态无机薄膜可作为催化剂、药物、疏水物质、软摩擦材料等的载体，也可用于光学、电信通讯、废气的吸附等。【附图说明】图1为本专利技术实施例1所述纳米多孔TiN薄膜的场发射扫描电镜图。图2为本专利技术实施例1所述纳米多孔TiN薄膜的X射线衍射图谱。图3为本专利技术实施例2所述纳米多孔Ti02薄膜的场发射扫描电镜图。图4为本专利技术实施例3所述纳米多孔ZrN薄膜的场发射扫描电镜图。【具体实施方式】以下结合附图和下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。[当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米多孔晶态无机薄膜材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：1）采用磁控溅射设备沉积制备无机薄膜，其中，靶材为纯金属靶，制得氮化物、氧化物、碳化物和金属薄膜所用的溅射气体依次为N2+Ar+CH4、O2+Ar+CH4、Ar+CH4、Ar+CH4，总压强为0.4～4.0 Pa，CH4分压为0～50%，N2分压为5～40%，O2分压为5～40%，沉积离子入射角度与基底成0～90°，靶材与基底的距离为5～20 cm，沉积时间为5～180 min，初始腔室温度为15～45 ℃，施加于所述靶材上的直流电源的功率为200～1600 W，施加于所述基底上的负偏压和占空比分别为0～‑400 V和40～90%，沉积结束时腔室温度在100 ℃以下，其中沉积所制备的薄膜在低沉积离子入射角度和无定形碳形成的协同作用下将具有疏松或多孔的结构以及易被刻蚀的成分；2）采用低温等离子体技术在所述薄膜实行刻蚀，其中制得氮化物、氧化物、碳化物和金属薄膜所用的等离子气体依次为N2 、O2 、Ar、Ar，总压强为1.0～4.5 Pa，初始腔室温度为15～45 ℃，施加于所述薄膜的负偏压和占空比分别为‑500～‑1200 V和40～90%，刻蚀结束时腔室温度在100 ℃以下，其中刻蚀时间为20～180 min以在低温下快速刻蚀无定形碳成分和疏松结构而使得无机薄膜形成纳米多孔结构。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑建云，郝俊英，刘维民，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃;62