一种碳微纳米材料/氮化铝复合薄膜的制备方法，属于材料技术领域，涉及碳微纳米材料/氮化铝复合薄膜的制备方法。首先将加入氢氟酸的聚乙烯亚胺水溶液与五水硝酸铝混合得到铝聚合物水溶液，并滤去铝聚合物水溶液中大部分水和游离的离子得到铝前驱液；其次将表面处理过的碳微纳米材料与Al按1::10～30的质量比添加于铝前驱溶液中，并超声使碳微纳米材料分散，得到碳微纳米材料与铝的复合前驱液；然后将复合前驱液旋涂于基片上，最后通过热处理获得碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜。本发明专利技术所制备的碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的热导率优于氮化铝薄膜，同时具有良好的工艺可控性和重复性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料
，涉及碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法。
技术介绍
随着微电子技术的不断发展，微电子集成度不断提高，功率密度不断增大，集成散热也成为了提高微电子器件可靠性必须解决的问题。氮化铝(AlN)薄膜由于其绝缘性好、介电常数大、热导率高、与硅匹配的热膨胀系数等优势，也成为了微电子器件散热涂层材料的主要研究对象之一，但是国内外所报道的AlN薄膜的热导率与块材有相当大的差别。而通过添加高热导率的微纳米材料(碳纳米管、金刚石粉、金属微粉等)来提高整体材料热导率的方法受到了许多的研究，尤其是以环氧树脂等有机材料为基体的复合高热导率材料已广泛应用于微电子封装工艺中。但是在如AlN等无机材料薄膜中添加高热导率的碳基微纳米材料来提高热导率的仍少见报道，主要是在合成这类复合材料的工艺仍存在一定难度。而本专利技术即利用高热导率的碳微纳米材料(碳纳米管、金刚石粉)对AlN薄膜进行添加改性，得到高热导率的复合薄膜。目前，制备AlN薄膜常见的方法有射频磁控溅射、激光脉冲沉积、分子束外延、化学气相沉积、溶胶凝胶法和高分子辅助沉积法等。相比较于其他制备AlN薄膜的物理方法而言，高分子辅助法具有设备简单、操作简便、低成本等优点获得广泛的关注，而更主要的是高分子辅助沉积法利于制备碳微纳米材料掺杂的AlN薄膜，而避免了物理方法中，微纳米材料难以掺入到AlN薄膜中的难题。本专利技术基于渗透理论(percolation theory)、有效勻质理论(effective media theory, EMT)等理论以及高分子辅助沉积法添加微纳米材料的实验可行性，利用高分子辅助沉积法制备了碳微纳米材料/AlN复合薄膜。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种基于水溶剂化学溶液法制备碳微纳米材料与AlN的复合薄膜的方法，该方法通过将五水硝酸铝、表面处理过的碳微纳米材料溶于水溶性聚合物溶液中，通过旋涂、热处理最终成膜。在热处理过程在高温管式炉中完成，用氨气提供氮源，通过对还原性气氛和氨气的调控实现薄膜的制备。本专利技术能够获得热导率较同等条件下制备的未掺杂的AlN薄膜更高的碳微纳米材料/AlN复合薄膜。本专利技术具体技术方案是:一种碳微纳米材料与AlN的复合薄膜的制备方法，如图1所示，包括以下步骤:步骤1:配制铝聚合物水溶液。首先将带有碱性基团的水溶性聚合物(如聚乙烯亚胺)溶于水，得到溶液A (呈浅黄色);然后往溶液A中加入氢氟酸，得到溶液B (同样呈浅黄色)；最后往溶液B中缓慢加入五水硝酸铝，搅拌至溶液澄清透明，得到铝聚合物溶液C。步骤2:获得碳微纳米材料与铝的复合前驱液。采用超滤装置，利用高压普氮，滤去铝聚合物溶液C中大部分水和游离的离子，得到浓缩的铝高分子前驱溶液。将表面处理过的碳微纳米材料按照C:A1=1:1(T30的质量比添加于浓缩的铝高分子前驱溶液中(其中，若碳微纳米材料采用金刚石粉，则金刚石粉用HF进行表面处理；若碳微纳米材料采用碳纳米管，则碳纳米管用浓H2SO4:浓HN03=3:1的混合酸进行处理)，并超声使碳微纳米材料分散，从而得到碳微纳米材料与铝的复合前驱液。步骤3:旋涂碳微纳米材料与铝的复合前驱液于基片。将步骤2所得碳微纳米材料与铝的复合前驱液旋涂于清洁的基片表面。目标产物碳微纳米材料与AlN的复合薄膜的厚度通过多次旋涂加以控制。步骤4:热处理，获得碳微纳米材料与AlN的复合薄膜。将步骤3旋涂了碳微纳米材料与铝的复合前驱液的基片在还原性气氛中升温至70(Ti20(rc，然后在氨气气氛下热处理I小时及以上，冷却后得到最终的碳微纳米材料与AlN的复合薄膜。需要说明的是:1、本专利技术所述热处理过程的实现装置可采用高温管式炉，其中还原气氛可采用氢气和氮气的混合气体。2、本专利技术在热处理烧结过程在采用高温管式炉中完成，采用还原性气体为保护气体，并由氨气提供氮源，最终实现碳微纳米材料/AlN复合薄膜的制备。综上所述，本专利技术提供的基于溶液法的碳微纳米材料与AlN的复合薄膜的制备方法，能够获得热导率优于AlN薄膜的复合薄膜，同时具有良好的工艺可控性和重复性。附图说明图1为本专利技术流程示意图。图2为本专利技术制备的AlN薄膜的成分分析结果。其中通过A12p (73.9eV)和Nls(396.8eV)的键能(bonding energy)确定了该方法可以制备AlN薄膜，而且结合XRD分析结果(此处未给出)可以判断，该化学溶液法在此条件下制备的AlN薄膜为非晶或微晶的AlN薄膜。图3为本专利技术制备的碳微纳米材料与AlN的复合薄膜的热导率测试结果。其中，A1N+1 μ mDiamond particles, A1N+MWCNT, AIN, AlN+10nm Diamond particles 分别为 Ium金刚石粉与AlN的复合薄膜，MWCNT与AlN的复合薄膜，AlN薄膜和IOnm金刚石粉与AlN的复合薄膜的热导率结果。具体实施例方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明:实施例1:1.取聚乙烯亚胺4.0g于烧杯中加入80mL去离子水，搅拌至完全溶解，加入3mL氢氟酸，超声至溶液均一，再缓慢加入2.0g的五水硝酸铝，搅拌至溶液黄棕色澄清透明，使用美国Millipore公司生产的Amicon8050型超滤装置,滤去溶液中游离的离子，形成招高分子前驱溶液。 2.将多壁碳纳米管(MWCNT)置于浓H2SO4:浓HN03=3:1的混合酸中10小时后，经过反复清洗、过滤、烘干，再将所得MWCNT加入40mL去离子水中，并搅拌2小时，再经反复清洗、过滤、烘干得到表面处理的MWCNT。将前述MWCNT取0.005g置于步骤I所得的15mL铝高分子前驱溶液中，超声处理10分钟，获得MWCNT与铝的复合前驱液。3.取Si (100)取向的硅基片，先使用丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗3分钟，再用10%的HF浸泡3分钟,然后用去离子水和乙醇超声3分钟,最后用氮气吹干待用。4.将步骤2所得MWCNT与铝的复合前驱液旋涂在硅基片上，用甩胶机甩平，甩胶机转速为3000r/min时间为30s。甩胶后的基片置于恒温烘箱中烘60min，取出在空气中冷却后，重复旋涂操作多次。5.把步骤4所得样品放入陶瓷舟内，放置于高温管式炉(科晶GSL-1400X)的恒温区内，设定热处理工艺，具体为:从室温升温到510°C，升温速率为1°C /min;在510°C保温60min ;然后升温至1000°C，升温速度为10°C /min ;在1000°C保温60min ;从1000°C降至室温取出样品，降温速率为10°C /min ;即制得MWCNT与AlN的复合薄膜。其中室温升温至5100C以及1000°C再降至室温时，通混合气体保护，混合气体的具体组分为94%的N2加6%的H2，其余时间通入氨气，提供制备薄膜所需的氮源。6.MWCNT与AlN的复合薄膜的鉴定与性能测试对碳纳米管所采用的预处理方式及碳纳米管与带有碱性基团的水溶性聚合物之间的作用保证了碳微纳米材料/铝前驱液具有良好的溶液均匀性。由于XPS测试A12p和Nls分谱结果相同，其A12p和Nls的键能(bonding energy)分别为73.9eV和396.8eV,故只展示了 AlN薄膜的XPS结果(图2)。由图3可以看出，在室温下，本专利技术制本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种碳微纳米材料与AlN的复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤1：配制铝聚合物水溶液；首先将带有碱性基团的水溶性聚合物溶于水，得到溶液A；然后往溶液A中加入氢氟酸，得到溶液B；最后往溶液B中缓慢加入五水硝酸铝，搅拌至溶液澄清透明，得到铝聚合物溶液C；步骤2：获得碳微纳米材料与铝的复合前驱液；采用超滤装置，利用高压普氮，滤去铝聚合物溶液C中大部分水和游离的离子，得到浓缩的铝高分子前驱溶液；将表面处理过的碳微纳米材料按照C:Al=1:10~30的质量比添加于浓缩的铝高分子前驱溶液中，并超声使碳微纳米材料分散，从而得到碳微纳米材料与铝的复合前驱液；步骤3：旋涂碳微纳米材料与铝的复合前驱液于基片；将步骤2所得碳微纳米材料与铝的复合前驱液旋涂于清洁的基片表面；目标产物碳微纳米材料与AlN的复合薄膜的厚度通过多次旋涂加以控制；步骤4：热处理，获得碳微纳米材料与AlN的复合薄膜；将步骤3旋涂了碳微纳米材料与铝的复合前驱液的基片在还原性气氛中升温至700~1200℃，然后在氨气气氛下热处理1小时及以上，冷却后得到最终的碳微纳米材料与AlN的复合薄膜。
【技术特征摘要】
1.一种碳微纳米材料与AlN的复合薄膜的制备方法，包括以下步骤: 步骤1:配制铝聚合物水溶液；首先将带有碱性基团的水溶性聚合物溶于水，得到溶液A ;然后往溶液A中加入氢氟酸，得到溶液B ;最后往溶液B中缓慢加入五水硝酸铝，搅拌至溶液澄清透明，得到铝聚合物溶液C ； 步骤2:获得碳微纳米材料与铝的复合前驱液；采用超滤装置，利用高压普氮，滤去铝聚合物溶液C中大部分水和游离的离子，得到浓缩的铝高分子前驱溶液；将表面处理过的碳微纳米材料按照C:A1=1:1(T30的质量比添加于浓缩的铝高分子前驱溶液中，并超声使碳微纳米材料分散，从而得到碳微纳米材料与铝的复合前驱液； 步骤3:旋涂碳微纳米材料与铝的复合前驱液于基片；将步骤2所得碳微纳米材料与铝的复合前驱液旋涂于清洁的基片表面；目标产物碳微纳米材料与AlN的复合薄膜的厚度通过多次旋涂加以控制； 步骤4:热处理，获得碳微纳米材料与AlN的复合薄膜；将步...
【专利技术属性】
技术研发人员：林媛，黄江，潘泰松，张胤，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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