[发明专利]一种由磁控溅射制备纳米多孔铜薄膜材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米薄膜材料的制备方法，具体涉及一种由磁控溅射制备纳米多孔铜薄膜材料的制备方法。

背景技术

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度或由它们作为基本单元构成的材料。具体可分为零维(尺度颗粒、原子团簇等)、一维(纳米丝、纳米棒和纳米管等)和二维(超薄膜、多层膜、超晶格等)。纳米材料因为其具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观隧道效应等一系列特殊性能而受到广泛关注。制备纳米材料的方法也目前也比较成熟主要有蒸发凝聚法、沉淀法、喷雾法、水热法、气相反应法等。

铜具有良好的导电性，并且纳米尺度的铜也是一种良好的工业催化剂。纳米多孔铜材料是一种比较常见的纳米多孔材料，在催化、传感器、光学、驱动、热交换和生物检测等领域有着巨大的应用前，因为纳米多孔铜具备三维孔洞/韧带交互结构。

磁控溅射镀膜过程主要是将欲沉积成膜的材料制成靶材，固定在溅射沉积系统的阴极上，将待沉积薄膜的基片放在正对靶面的阳极上。溅射系统抽至高真空后充入氩气等反应气体，在两个电极之间加上不同的高压，两级之间会产生低压辉光放电，其中氩气正离子在电场的作用下向阴极移动，与靶表面碰撞，由于靶材受到碰撞而从靶材表面溅射出来的靶材原子称为溅射原子，溅射原子在基片表面沉积后成膜。

现有技术公开一些利用机械球磨、真空甩带的方法(如：CN103343253A、CN102703748)制备二元合金前驱体母材，然后利用脱合金的方法腐蚀除去较活泼的组元，从而得到纳米多孔铜材料，但是得到的材料要经过多次球磨和熔炼过程以及真空甩带，步骤比较复杂，而且制备的纳米多孔铜材料不具有连续性，主要以纳米多孔铜粉末为主，不具有连续性，且规模较小，成本高，不适合大规模生产，从而限制了其进一步的使用。丁留伟《脱合金法制备纳米多孔铜的研究》一文公开了一种以铜锌合金为原料制备出一种连续纳米多孔结构的铜薄膜材料，但该铜薄膜采用玻璃或单晶硅为基底，导电性差，无法满足商用电极技术要求。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明选用铜作为基底材料，但在实际的磁控溅射处理中发现：铜基底与形成的铜铝复合薄膜的连接力较弱，且存在铜或铝富集现象，在后续进行脱合金过程中，形成的多孔结构的均匀性差。

为了改善沉积的铜铝薄膜中铜铝元素分布的均匀性，本发明对合金薄膜进行后处理，发现：在惰性气体保护下对磁控溅射形成的铜铝合金薄膜进行退火处理可以有效地促进Al和Cu元素的相互扩散，提高金属基体与镀膜材料粘结力，保证脱合金处理后的铜薄膜具有均匀的多孔结构，赋予该纳米多孔铜薄膜材料更好地应用前景。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种由磁控溅射制备纳米多孔铜薄膜材料的方法，

在铜基底上磁控溅射双靶共沉积Cu-Al薄膜，在惰性气体保护条件下退火，脱合金，即得纳米多孔铜薄膜材料；

所述双靶为铜靶和铝靶。

纳米多孔铜薄膜材料制备过程中，常采用脱合金法对薄膜材料进行刻蚀，但刻蚀过程中不可避免地生成氢气，破坏孔洞结构，造成薄膜从基体脱落；而采用不活泼的金属材料虽然可以更好地控制氢气的生成速率，但由于金属的不活泼性，往往又导致了被刻蚀金属在薄膜材料表面的残留。为了解决上述问题，本发明在综合考虑“退火条件下，金属与铜在铜基材表面相互扩散条件、形成合金材料对铜基材连接力的基础上”，对后续脱合金过程中金属材料地脱除以及反应速率的控制条件进行优化，发现：与Zn、Mn、Au、Pt、Pd相比，采用Al作为靶材与铜进行共溅射可以制备出结构连续、尺寸可控，孔洞均匀性好的纳米多孔铜薄膜材料。

优选的，所述脱合金处理中，脱合金溶液为H⁺浓度为0.8-1.2mol/L的酸溶液。本发明由于采用铝材作为共溅射材料，因此，在较低的酸性条件下即可实现Al元素的有效脱除，进而避免了氢气的大量生成。

优选的，所述磁控溅射的条件为：铜靶溅射至少10min后，再开始铜靶和铝靶的共溅射。铜靶溅射10min可先形成超薄的连接层，加强共溅射薄膜与铜箔基体的连接力。

优选的，所述磁控溅射的条件为：铜靶与铝靶的溅射功率之比为1:3。

根据铜铝二元合金相图，本发明优选的退火工艺为：420-480℃退火1.5-2.5h。退火过程中，保证惰性气体饱和，避免样品被氧化。

优选的，所述脱合金工艺为：在H⁺浓度为0.8-1.2mol/L酸溶液中腐蚀10-15h。