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。

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案

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 Cu_xTi_100-x(54≤x≤66)，其中x为Cu元素的原子百分数。

上述的Cu-Ti非晶合金薄膜的具体制备过程如下：

(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，不需 要冷却装置；

(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。

原材料Ti块和Cu块的纯度均不低于99.9wt.％。

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)。

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。

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。

本发明的有益效果体现在：

(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；

(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

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K_α射线；

图2为实施例2制备的合金薄膜的SEM表面形貌图；

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

实施例1：Cu₈₂Ti₁₈合金薄膜的制备

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；

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；

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；

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。

实施例2：Cu₆₆Ti₃₄非晶合金薄膜的制备

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；

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；

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；

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。

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。

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。

实施例3：Cu₆₀Ti₄₀非晶合金薄膜的制备

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；

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；

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；

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。

实施例4：Cu₅₉Ti₄₁非晶合金薄膜的制备

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；

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；

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；

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。

实施例5：Cu₅₄Ti₄₆非晶合金薄膜的制备

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；

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；

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；

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。