一種制備納米鈷薄膜包覆銅顆粒復合顆粒膜的方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及到微、納米尺度材料的制備領域，具體的說是一種制備納米鈷薄膜包覆銅顆粒復合顆粒膜的方法。
【背景技術】
[0002]隨著微納米科學技術的發展，微米及納米薄膜、顆粒的優異性能和廣闊應用前景逐漸被研究者認知并引起世界各國材料學家、物理學家和化學家的極大興趣。當尺寸達到納米級時，顆粒將呈現明顯的量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應，在磁介質、催化、濾光、光吸收、醫學等領域具有廣闊應用前景。
[0003]納米顆粒的實際應用總是離不開對其進行組裝以形成特定結構的薄膜。不同結構的納米顆粒薄膜經常表現出不同的特性，而且也表現出單個顆粒粒子所不具備的一些性質。將兩種或兩種以上的材料進行表面包覆處理后，可以產生新的功能，例如，對超細顆粒表面經行改性，即利用物理或化學的方法改變顆粒表面的結構和組成將極大的拓展超細顆粒的應用空間在微電子、磁性材料、傳感、催化、光電顯示、生物醫藥等領域有廣闊的應用前景。有研究人員發現在磁性顆粒膜體系中存在巨磁阻效應，應用這種原理制備的巨磁電阻材料已廣泛應用在傳感器、磁頭、存儲器、吸波材料以及自旋晶體管等電子元器件上。制備納米顆粒膜的方法較多，包括磁控濺射、離子束濺射、電化學共沉積、化學氣相沉積等。以往研究人員制備的磁性顆粒膜材料一般是由納米尺寸的磁性顆粒鑲嵌于互不固溶的非磁性金屬或絕緣體基體中構成的復合薄膜，如Co-Cu合金膜。本發明采用磁控濺射方法將鈷薄膜、銅顆粒組合到一起制備出了與以往結構完全不同的磁性顆粒膜復合結構材料。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是提出一種制備新型磁性顆粒膜的方法，在單晶硅基體表面制備出納米鈷薄膜包覆銅顆粒復合結構材料。
[0005]本發明為解決上述技術問題采用的技術方案為:一種制備納米鈷薄膜包覆銅顆粒復合顆粒膜的方法，首先在單晶硅基體上沉積Cu-Zr合金膜，然后在溫度為550-600°C、且由隊與H2混合氣氛保護的條件下退火45-90min，從而在單晶娃基體表面制備出ZrSi X/Cu顆粒復合結構，然后在制備的ZrSix/Cu顆粒復合結構的表面沉積一層納米Co薄膜即制得
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[0006]所述在單晶娃基體表面制備ZrSix/Cu顆粒復合結構的步驟如下:
1)將單晶硅基體清洗干凈后置于磁控濺射鍍膜機基片臺上；
2)在鍍膜機的靶位上分別放置好Cu靶和Zr靶，然后關閉真空室、開啟機械栗和分子栗對真空室抽真空，使真空度達到0.0001-0.0005Pa ;
3)向真空室通入高純氬氣使真空室內的氣壓為0.3Pa，然后同時接通Cu靶和Zr靶的電源在聚酰亞胺基體上共濺射沉積Cu-Zr合金薄膜；
4)將步驟3)制得的Cu-Zr合金薄膜在溫度為550-600°C、保護氣氛為隊與H2混合氣氛的條件下退火45-90min，即制得ZrSix/Cu顆粒復合結構。
[0007]所述Cu-Zr合金薄膜中Zr的含量不低于5at%，且Cu-Zr合金薄膜的厚度不超過60nmo
[0008]所述在ZrSix/Cu顆粒復合結構的表面沉積一層納米Co薄膜的操作為:在鍍膜機的靶位上放置好Co靶，當真空室真空度達到0.0001-0.0005Pa后，向真空室通入高純氬氣使真空室內的氣壓達到0.3Pa，然后接通Co IE電源開始在ZrSix/Cu顆粒復合結構的表面沉積Co薄膜。
[0009]本發明的技術方案是:首先將清洗好的單晶硅基體固定到磁控濺射鍍膜機基片臺上，通過磁控濺射雙靶共沉積技術在單晶硅基體上沉積不同成分、不同厚度的Cu-Zr合金膜，薄膜厚度不超過60nm，合金膜中Zr的含量不低于5at%，然后將合金膜樣品在一定溫度及N2+H2混合氣氛條件下退火，退火溫度550-600°C，退火時間45-90分鐘，退火后會在單晶硅基體表面制備出ZrSix/Cu顆粒復合結構，最后將獲得的ZrSix/Cu顆粒復合結構以及單晶硅基體放在磁控濺射基片臺，在其表面沉積一層納米Co薄膜就獲得了產品。
[0010]具體技術方案如下:
(1)、單晶硅基體清洗
將單晶硅基體置入裝有無水乙醇的燒杯中，將該燒杯放入超聲波清洗機中超聲清洗10-30分鐘，然后再將清洗后的單晶硅片放入裝有去離子水的燒杯中超聲清洗5-15分鐘，將清洗好的單晶硅基體用氮氣吹干，然后將單晶硅基體固定到磁控濺射鍍膜機基片臺上；
(2)、制備Cu-Zr合金薄膜
鍍膜采用JCP-350直流磁控濺射鍍膜機，在鍍膜機的靶位上分別放置好純度99.99at%的Cu靶和純度99.99at%的Zr靶以及純度99.99at%的Co靶。將靶材和單晶硅基體放置好以后將鍍膜機的真空室關閉，并開啟機械栗、分子栗對真空室抽真空，使真空度達到
0.0001-0.0005Pa，向真空室通入高純氬氣使真空室內的氣壓達到0.3Pa，然后開始鍍膜。同時接通Cu革E和Zr革E的電源開始共派射沉積Cu-Zr合金薄膜，合金薄膜中Zr的含量通過控制Zr靶的濺射功率調控。Cu靶和Zr靶的濺射功率依據所需要的生長速率及薄膜成分調整濺射功率。通過調整工藝參數，制備Cur合金膜，鋯含量不低于5at.% Z薄膜厚度不超過60nm ；
(3)、在單晶娃基體上制備出ZrSix/Cu顆粒復合結構
將制備的合金膜樣品在一定溫度及N2+H2混合氣氛條件下退火，退火溫度550-600°C，退火時間45-90分鐘，就會在單晶硅基體表面制備出ZrSix/Cu顆粒復合結構。
[0011]Cu顆粒形成的過程:在N2+H2氣氛條件下，當退火溫度升高到550°C _600°C之間時，合金膜中分布在Cu晶粒周圍的過飽和Zr原子不斷向界面擴散、聚集并與Si原子反應形成ZrSix阻擋層，抑制了 Cu與Si基體之間的擴散，同時導致銅晶粒之間出現一些孔洞，隨著孔洞的擴展，薄膜不再連續并最終演變成為大量分散的球形顆粒。球形顆粒的成分主要是Cu，含有極微量的Si。研究發現，與純Cu膜在N2+H2混合氣氛條件下550-600°C退火后由于Cu與Si擴散反應生成大量CuxSi化合物不同，Cu-Zr合金膜在相同條件下退火后Zr將優先與Si在膜基界面反應形成ZrSix阻擋層，抑制了 Cu與Si的擴散，最終獲得了 ZrSi JCu顆粒復合結構。
[0012](4)、制備納米鈷薄膜包覆銅顆粒復合結構材料。
[0013]在步驟(3)獲得ZrSix/Cu顆粒復合結構的表面上進一步沉積納米Co薄膜。派射Co薄膜所用靶材為純度99.99at%的Co靶。當真空室真空度達到0.0001-0.0005Pa后，向真空室通入高純氬氣使真空室內的氣壓達到0.3Pa。然后接通Co靶電源開始在單晶硅基體上沉積鈷薄膜，就獲得了高性能納米鈷薄膜包覆銅顆粒復合結構材料，Co薄膜厚度可依據性能需要調整。
[0014]有益效果:本發明采用磁控濺射雙靶共沉積方法在單晶硅基體上制備Cu-Zr合金薄膜，然后在N2+H2混合氣氛條件下對薄膜樣品進行退火，Zr的加入與N2+H2氣氛保護共同抑制了 Cu與Si之間的擴散反應，在膜基界面形成一薄層ZrSix阻擋層，實現了無需模板在單晶娃基體表面制備出ZrSix/Cu顆粒復合結構，進而在已獲得的ZrSix/Cu顆粒復合結構表面濺射沉積納米鈷薄膜就獲得了大比表面積、高性能納米鈷薄膜包覆銅顆粒復合結構材料。復合結構材料中的鈷薄膜厚度、銅顆粒尺度在微納尺度范圍內均可以調控。本發明方法簡單，操作方便，無需采用模板，成本低，綠色環保，易于在基體上無需模板制備出大面積、高性能納米鈷薄膜包覆銅顆粒復合結構材料，在磁性器件、電子器件、傳感器、光電顯示器件等領域有潛在的應用。
【具體實施方式】
[0015]下面結合具體實施例對本發明的技術方案作進一步的闡述。本發明中，所述的N2+H2混合氣氛是指兩種氣體按照2:1的比例混合得到，而所用的高純氬氣的純度是99.9999%。
[0016]實施例1
一種制備納米鈷薄膜包覆銅顆粒復合顆粒膜的方法，包括以下步驟:
(I)、單晶硅基體清洗
將單晶硅基體置入裝有無水乙醇的燒杯中，將該燒杯放入超聲波清洗機中超聲清洗10分鐘，然后再將清洗后的單晶硅片放入裝有去離子水的燒杯中超聲清洗5分鐘，將清洗好的單晶硅基體用氮氣吹干，然后將單晶硅基體固定到磁控濺射