一种Ti2AlC MAX相薄膜的制备方法技术

本发明专利技术属于新材料技术制备领域，具体为Ti2AlC MAX相薄膜的制备方法。本发明专利技术采用射频磁控溅射的方式，溅射元素Ti和Al靶为固体复合靶，通过计算元素溅射率和测得的薄膜化学元素比调整固体靶的面积比，从而得到薄膜中理想的化学元素比；采用C的氢化物C2H2气体作为C元素靶来提高C元素的活性，通过控制通入的气体Ar气和C2H2气体的流量大小和比例，使薄膜中的最终元素比达到接近Ti2AlC的化学元素比。本发明专利技术通过改变基体温度，沉积时间和溅射功率等参数，可较为精确的调整制备薄膜的厚度、晶粒尺寸，从而得到厚度和晶粒尺寸可控的纯相高品质多晶薄膜。

A kind of Ti

The invention belongs to the field of new material technology preparation, in particular to Ti

【技术实现步骤摘要】
一种Ti2AlCMAX相薄膜的制备方法
本专利技术属于新材料技术制备领域，具体涉及一种复合陶瓷材料MAX相材料的制备方法。
技术介绍
纳米层状结构六方晶系新型复合陶瓷材料MAX相材料（Mn+1AXn的缩写，M为元素周期表低周期区域过渡金属元素，A为第三或第四主族元素，X为碳或氮），由于晶体结构中同时存在类陶瓷相结构的MX相和类金属相结构的MA金属相，使它作为一种新型陶瓷材料兼具了陶瓷和金属的诸多优异性能，例如耐高温性，良好的导电导热性能，耐腐蚀和优异的机械加工性能，同时由于这种新型材料具有固有的纳米层状晶体结构，这种层状结构会使材料具有一种各向异性的导电特性，这使得MAX相材料有可能会被应用在特殊的微电子系统中。近年来，又发现这种材料可以耐离子中子辐照，具有极强的损伤修复能力，被认为是第四代裂变对以及未来可控核聚变反应堆的候选结构材料。鉴于MAX相材料诸多优异的特性和广阔的应用前景，目前世界上众多国家和机构（包括中国，美国，澳洲，日本，瑞典等等）正在积极开展研究。Ti2AlC是MAX相材料Ti-Al-C体系中具有代表性的一员，其具有更优异的抗氧化，耐腐蚀和耐辐照性能。Ti2AlC通常是由块体合成法来合成块体材料，例如无压烧结法，热压法和反应热等静压法等。但是块体材料的合成几乎无法得到纯相，在制备的材料中往往带有不可避免的Ti3AlC2相以及金属碳化物（TiCx）或其他的一些合金（TiAl）杂相，同时还存在晶粒尺寸不均匀的现象。块体材料的合成需要严苛的反应条件，如高温（1400°C以上）和高压（5-50MPa）。由于这类新型复合材料一般用相成分的纯度和晶粒大小来评价其优劣(相纯度越高，晶粒越大则材料的品质越高)，同时，材料中杂质相的存在给对材料性质的研究带来了不利，因此体材料在一定程度上达不到预期的研究目标。自2002年以来，MAX相材料越来越多的被尝试以薄膜的形式制备出来以研究其潜在的一些应用（如抗氧化性和润滑或保护涂层等）并且进展迅速。目前已经可以制备出一些高纯度单晶Ti2AlC相薄膜并且在不断的改善制备方法和工艺条件以寻得更简单高效的途径来制备高品质薄膜。MAX相薄膜材料制备方法主要有化学气相沉积法和磁控溅射沉积法。由于磁控溅射镀膜法可以在远低于体材料合成温度的条件下得到附着力强的，厚度和晶粒尺寸可控的，致密的高品质薄膜，因而成为目前应用最多的MAX相薄膜制备的方法。对于Ti2AlC来说，目前使用比较多的溅射方法是在Al2O3（0001）衬底上采用固体分立靶或复合靶的直流溅射。为得到高品质单晶外延薄膜，需要在蓝宝石基体上生长一层薄种子层，例如Ti或TiCx（有文章表明也可以是TiNx），接着在种子层上外延生长出单晶薄膜。这种方法虽然可以得到较高品质的单晶薄膜，但是存在的问题是一方面是在后续对薄膜晶体品质的X射线衍射测量中无法将种子层与薄膜中可能存在的TiCx杂质区分，这将导致无法判断晶体是否为纯相，另一方面是种子层会对薄膜的其他性质如电阻，热导的测量带来影响，并且这种方法需要对基片加较高的温度（一般在900℃左右）。考虑到工业应用方面，生长一层种子层和高的沉积温度无疑会增加工艺难度和成本，但是若不采用以上这种模式，在同样的实验条件下例如直接在基片上（蓝宝石或MgO）磁控溅射沉积薄膜或者采用其他化学气相沉积的方法，得到的薄膜往往会含有杂相如TiC和TiAl合金，晶体的品质很差，晶粒也很小。目前采用射频反应磁控溅射的方法制备出高品质的纯相Ti2AlC薄膜的技术方法尚处于近乎空白状态。
技术实现思路
基于以上的研究背景和薄膜制备技术，本专利技术的目的在于提供一种可以较为精确控制MAX相薄膜材料的厚度、晶粒尺寸的Ti2AlCMAX相薄膜的制备方法。本专利技术提供的Ti2AlCMAX相薄膜的制备方法，采用射频磁控溅射技术，用反应气体C2H2作为C元素靶，可以在较低温度（600℃-710℃）的MgO（100）基体上生长出高品质纯相多晶Ti2AlC薄膜。具体步骤如下：一、装备溅射靶和基片本专利技术采用的是射频磁控溅射的方式，溅射元素Ti和Al靶为固体复合靶，组合方式为在圆片形高纯Ti靶（99.99%）上均匀放置4-5片按15±1°的扇形高纯Al片（99.99%）。这种固体复合靶的组合优点是装配简单，元素含量方便调整。为了提高C元素参与溅射沉积过程反应生成Ti2AlC的化学活性，本专利技术采用C的氢化物乙炔（C2H2）作为C元素靶。沉积过程中只需将高纯C2H2气体（99.99%）通入工作真空腔室中即可。由于H元素在较高温度下将会从吸附材料中很快释放出来，因此在高于600℃的基片温度下不会沉积出含H元素的薄膜。同样，由于C2H2反应活性大，为控制C元素在薄膜中的比例，（通过流量计）控制通入的工作气体Ar气和反应气体C2H2的流量比（约为200：（1-3））。基片为氧化镁MgO（100），装备在溅射靶正上方，背面贴近加热丝；二、工作腔抽真空本底真空应低于3*10-5Pa；三、预溅射通入工作气体后在5±0.5Pa的压强下开始起辉溅射，辉光溅射开始后工作压强范围降为0.1-0.2Pa，保持工作功率预溅射10-30分钟，去除靶表面氧化层；四、溅射沉积镀膜沉积功率为70-80W，基片加负偏压40-60V。基片加热温度范围为600-710℃。薄膜的厚度根据沉积时间不同而不同。最终得到的薄膜其各元素含量应达到接近Ti2AlC的理想化学元素比。附图说明图1为基体温度为600℃，615℃，630℃，665℃和710℃的薄膜略入射X射线衍射图谱。图2为基体温度为（a）615℃，（b）630℃，（c）665℃和（d）710℃下的薄膜表面电子扫面显微镜图片。图3基体温度为710℃条件下厚度为（a）（b）700nm，(c)（d）1000nm的表面和断面SEM图。具体实施方式实验前将MgO基片（大小为1cm×1cm，厚度1mm）放入盛有无水乙醇的烧杯中用超声波清洗10分钟，将基片取出擦拭其光滑面并用高纯压缩空气吹干，使得基片光滑面干净无污染。之后迅速将基片固定放置在真空腔中的加热丝下方。加热丝可对基片进行加热，在靠近基片位置放有热电偶传感器来实时监测并通过温度控制器来调控基片加热温度。工作时，基片加有相对于地的负偏压为-52(±5)V。固体复合靶放在射频电极上，和基片的距离为60mm。通过机械泵和涡轮分子泵将真空室内的真空抽到低于3×10-5Pa。真空腔室壁上吸附有水分子，在抽真空的过程中会不断脱附出来，在薄膜沉积过程中水分子中的O原子就会沉积在薄膜中，对薄膜产生影响，为了减小薄膜中杂质原子的引入以及提高腔室的真空度，在抽真空的过程中需要对腔室进行烘烤，一般是在200oC下烘烤2小时。溅射镀膜时，通入的工作气体Ar（99.99%）气的流量为15.0±0.01sccm，C2H2（99.99%）气体流量为0.075±0.002sccm，适当关闭分子泵阀门，工作压强控制在0.20±0.02Pa。由于C2H2气体的流量相对于Ar气相差几百倍，因此需要高精度的流量计来对C2H2气体流量进行精确调控，否则对薄膜中的C元素的影响会较大。通过改变溅射功率可以控制薄膜的沉积速率，但是过小的溅射功率会使得沉寂时间增大，过大的沉积速率会导致靶的温升过快，铝片会发生一定的融化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ti

【技术特征摘要】
1.一种Ti2AlCMAX相薄膜的制备方法，其特征在于，采用射频磁控溅射技术，用反应气体C2H2作为C元素靶，在温度为600℃-710℃的MgO（100）基体上生长出纯相多晶Ti2AlC薄膜；具体步骤如下：步骤一、装备溅射靶和基片以溅射元素Ti和Al靶为固体复合靶，组合方式为在圆片形高纯Ti靶上均匀放置4-5片按15±1°的扇形高纯Al片，采用C2H2作为C元素靶；沉积时将高纯C2H2气体通入工作真空腔室中；控制通入的工作气体Ar气和反应气体C2H2的流量比为200：（1-3），基片为氧化镁MgO（100），装备在溅射靶正上方，背面贴近加热丝；步骤二、工作腔抽真空本底真空应低于3*10-5Pa；步骤三、预...

【专利技术属性】
技术研发人员：宿冉冉，施立群，张宏亮，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31