[发明专利]一种塑性提升的纳米晶薄膜制备方法

说明书

本发明公开了一种塑性提升的纳米晶薄膜制备方法，包括：采用磁控溅射法，在纳米晶中引入非晶层，形成纳米晶/非晶层交替的多层结构，获得塑性提升的纳米晶薄膜。本发明采用磁控溅射，在基底上交替沉积纳米晶和较薄的非晶，形成多层结构薄膜，其制备出的纳米晶薄膜在具有高强度的同时，兼具了更好的塑性，力学性能更加优异；薄膜结构致密，界面清晰，可以很容易实现单层厚度尺寸的调控，为纳米晶薄膜塑性的提升提供了新的方法。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，特别涉及一种纳米晶薄膜的制备方法。

背景技术

与传统晶体材料相比，纳米材料具有高强度，高比热，高电阻等一系列独特的性能，并且在磁、光、电敏感性等方面的性质往往与其在粗晶状态时表现出来的不同。这些性能使得纳米材料已经广泛地应用于微电子、机械制造和航天航空等重要领域。

纳米晶金属材料具有比粗晶更高的晶界密度，这些晶界的存在使其具有更优越的力学性能，如高强度，高耐磨性及抗疲劳性能等，但纳米晶金属晶粒内部的位错密度远小于粗晶金属，尤其当其晶粒尺寸减小至～20nm时，晶粒内部几乎没有位错存在，其形变机制也由位错主导转变为晶界主导，使纳米晶金属的塑性严重下降，限制了纳米晶金属材料的工程应用。因此提高纳米晶合金塑性的研究具有重要的工程意义与科学意义。

在以往的研究中，通过改变纳米晶金属材料的晶粒分布及形态使其塑性得到了一定的提高。具体来讲，主要包括制备具有双峰晶粒尺寸分布的材料和制备含有大量孪晶的材料，但这些方法仍存在一定的缺点以及局限性。对于晶粒尺寸双峰分布的金属和合金材料，塑性和强度都有一定的提高。在这类材料中，微米尺寸的晶粒可以抑制裂纹的产生和增殖，纳米尺寸的晶粒可以提升强度和硬度。但是在这些材料中由于微米级的晶粒的存在，其强度仅能得到有限的提升。对于孪晶，可分为生长孪晶与形变孪晶两种类型。生长孪晶受到基体层错能的限制，很难在层错能较高的材料中形成；对于形变孪晶，当晶粒尺寸小于某一临界值时，其形变将由晶界发射位错机制主导转变为由晶界运动主导，此时晶界难以发射形成孪晶所需要的不全位错，难以形成形变孪晶。因此制备含有大量孪晶的纳米晶材料仍具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种塑性提升的纳米晶薄膜制备方法，以制备具有高强度的同时，兼具了更好塑性的纳米晶薄膜。本发明方法采用磁控溅射，在基底上交替沉积纳米晶和较薄的非晶，形成多层结构薄膜，其制备出的纳米晶薄膜在具有高强度的同时，兼具了更好的塑性，力学性能更加优异。薄膜结构致密，界面清晰，可以很容易实现单层厚度尺寸的调控，为纳米晶薄膜塑性的提升提供了新的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种塑性提升的纳米晶薄膜制备方法，包括：采用磁控溅射法，在纳米晶中引入非晶层，形成纳米晶亚层/非晶亚层交替的多层结构，获得塑性提升的纳米晶薄膜。

进一步的，纳米晶亚层的材质为Cu，非晶亚层的材质为CuZr。

进一步的，纳米晶亚层/非晶亚层交替的多层结构中最底层为非晶亚层。

进一步的，多层结构中纳米晶亚层厚度大于非晶亚层厚度。

进一步的，每层纳米晶亚层的厚度为40nm，每层非晶亚层的厚度为10nm。

一种塑性提升的纳米晶薄膜制备方法，具体包括以下步骤：

1)将单面抛光单晶硅清洗干净后放入超高真空磁控溅射设备基片台上，准备镀膜；

2)将需要溅射的纳米晶亚层靶材和非晶亚层靶材安置在靶材座上；

3)硅片溅射沉积时，纳米晶亚层选择直流电源溅射，非晶亚层采用射频电源溅射；先在硅基体上用射频电源镀一层非晶亚层，之后在上面用直流电源镀一层纳米晶亚层，这样交替沉积纳米晶亚层/非晶亚层，最终达到所需的厚度。