本發(fā)明涉及真空鍍膜技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超晶格結(jié)構(gòu)非晶態(tài)材料的制備方法。

背景技術(shù)：

非晶態(tài)材料是有序度介于晶體和液體之間的一種聚集態(tài)材料，非晶態(tài)材料不像晶態(tài)物質(zhì)那樣具有完善的近程和遠(yuǎn)程有序，而是不存在長程有序，僅具有近程有序。非晶態(tài)材料制備需要解決兩個(gè)問題：1、必須形成原子或分子混亂排列的狀態(tài)；2、必須將非晶態(tài)材料熱力學(xué)上的亞穩(wěn)態(tài)在一定的溫度范圍內(nèi)保存下來，使之不向晶態(tài)轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的非晶態(tài)材料制備方法包括液相急冷和從稀釋態(tài)凝聚等。其中液相急冷的制備方法是將所需成分的材料混合物加熱熔融成液態(tài)，然后通過不同途徑使它們快速冷卻，使得液態(tài)的無序結(jié)構(gòu)得以保存下來形成非晶態(tài)材料。從稀釋態(tài)凝聚是指將所需材料制成靶材或粉體，采用濺射或蒸發(fā)等方法將材料中原子或離子以氣態(tài)形式離解出來，然后使它們無規(guī)則地沉積在冷卻底板上，從而形成非晶態(tài)材料。

上述方法都需要將所制備的材料進(jìn)行低溫冷卻，如此在制備過程中即需要相應(yīng)的增設(shè)制冷設(shè)施，以確保材料的分子混亂排列亞穩(wěn)態(tài)可以在一定的溫度范圍內(nèi)保存下來，使之不向晶態(tài)轉(zhuǎn)變，操作復(fù)雜，單次實(shí)驗(yàn)樣品制備通量較低。并且由于上述方法無法精確控制成分的均勻分布，尤其對(duì)于多種原料制備的材料樣品，故通過上述方法所制備的材料難免會(huì)有成分偏析，需要額外的測試以確認(rèn)制備的材料樣品的成分，降低了實(shí)驗(yàn)效率。如采用共沉積方法(如磁控共濺射)雖然可以實(shí)現(xiàn)材料的混合，但是由于薄膜沉積受功率、材料入射角度和氣壓等因素影響，可重復(fù)性較差，同時(shí)該方法制備的薄膜空間非線性分布，不能精確控制材料在基片上的均勻分布。

除此以外，jingsongwang等人在《science》1998刊中發(fā)表的文章《identificationofabluephotoluminescentcompositematerialfromacombinatoriallibrary》中對(duì)組合材料芯片的制備做了介紹，組合材料芯片的制備過程包括材料沉積、材料擴(kuò)散熱處理和成相熱處理三個(gè)步驟。其中材料擴(kuò)散熱處理過程即是為了制備非晶態(tài)前驅(qū)體材料，通常是按照一定順序依次沉積多層按照一定厚度梯度分布的薄膜材料，并對(duì)沉積后的材料進(jìn)行低溫?cái)U(kuò)散熱處理，從而獲取非晶態(tài)前驅(qū)體材料。

在非晶態(tài)前驅(qū)體制備過程中，由于采用多層膜體系會(huì)在其不同材料界面上發(fā)生擴(kuò)散和結(jié)晶成核兩種過程，一旦成核便不易進(jìn)一步擴(kuò)散。根據(jù)晶體生長理論，在界面的結(jié)晶成核必須超越一個(gè)臨界厚度及溫度，因此需要控制疊層薄膜的單層厚度及擴(kuò)散溫度，利用“溫度/厚度”熱力學(xué)窗口使材料成為多種材料的均勻混合物。根據(jù)期刊《journaloftheamericanchemicalsociety》的1992年第114期中的論文《controllingsolid-statereactionmechanismsusingdiffusionlengthinultrathin-filmsuperlatticecomposites》中的內(nèi)容，通過對(duì)不同厚度的mo、se雙層膜的擴(kuò)散研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)mo、se兩層膜厚度大于38埃時(shí)，會(huì)首先在界面上形成一層非晶層，進(jìn)而結(jié)晶形成穩(wěn)定的化合物阻止元素的進(jìn)一步擴(kuò)散，這樣就無法在樣品中形成多元素均相混合的非晶合金；而當(dāng)雙層膜厚度小于27埃時(shí)，雙層膜會(huì)形成均相混合的非晶態(tài)合金，同時(shí)相比38埃時(shí)的樣品，其結(jié)晶溫度更高，拓寬了通過溫度控制材料混合的窗口。但如果不控制所制備薄膜的厚度于擴(kuò)散-結(jié)晶臨界厚度以下，則無法避免熱處理過程中中間化合物的產(chǎn)生，阻礙擴(kuò)散的完全，這就需要額外的實(shí)驗(yàn)探索不同薄膜材料擴(kuò)散-結(jié)晶的臨界厚度，以便實(shí)驗(yàn)時(shí)控制所制備薄膜沉積臨界厚度，增加了實(shí)驗(yàn)工作量，降低了實(shí)驗(yàn)效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種實(shí)驗(yàn)效率高、僅通過簡單的材料沉積過程和低溫?zé)崽幚磉^程即可完成多種材料的均勻混合，進(jìn)而完成非晶態(tài)材料制備的制備方法。

本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案為：一種非晶態(tài)材料制備方法，其特征在于：根據(jù)非晶態(tài)材料所需的各成分材料的分布規(guī)則，周期性的依次將各成分材料沉積在基片上以制成超晶格結(jié)構(gòu)樣品，然后所述超晶格結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行低溫?zé)崽幚?，進(jìn)而制成非晶態(tài)材料；低溫?zé)崽幚淼臏囟确秶鸀楦鞒煞植牧系臄U(kuò)散溫度和結(jié)晶溫度之間范圍的交集區(qū)間，通常低溫?zé)崽幚淼臏囟确秶鸀?0℃-800℃，熱處理時(shí)間為0.5-80小時(shí)，根據(jù)材料類型熱處理需要處于大氣壓或真空環(huán)境下，熱處理氣氛為空氣、氬氣、氮?dú)獾榷栊詺怏w；

在每層成分材料沉積前，分別調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)沉積源的工作參數(shù)、調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)沉積源與基片之間的相對(duì)位置；

各成分材料在基片上的單層沉積厚度分別對(duì)應(yīng)小于各成分材料的擴(kuò)散-結(jié)晶臨界厚度。

超晶格結(jié)構(gòu)為按照一定規(guī)律疊層沉積不同的薄膜材料，其中薄膜材料類型包括金屬、氧化物、硫化物、氮化物等。

根據(jù)所制備的材料類型的不同，為了制備高質(zhì)量的超晶格結(jié)構(gòu)，所用基片的超晶格結(jié)構(gòu)選用與各成分材料中的至少一種材料相匹配，如可選用不銹鋼、硅片、藍(lán)寶石、氧化鋅等材料的基片。

可選擇地，通過磁控濺射方法和/或電子束蒸發(fā)等鍍膜方法在基片上沉積各成分材料。

根據(jù)各成分材料的分布規(guī)則，在沉積各成分材料前移動(dòng)和/或旋轉(zhuǎn)基片。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：該非晶態(tài)材料制備方法沉積每層成分材料的厚度遠(yuǎn)小于擴(kuò)散-結(jié)晶臨界厚度，以方便實(shí)現(xiàn)不同成分材料間原子狀態(tài)下的均勻擴(kuò)散，進(jìn)而能夠制成成分均勻的非晶態(tài)材料。該非晶態(tài)材料制備方法只需簡單材料沉積方法和低溫?zé)崽幚矸椒纯赏瓿煞蔷B(tài)材料制備，如此采用目前發(fā)展較為成熟的微電子工藝即可進(jìn)行制備。相應(yīng)的在較短時(shí)間內(nèi)，較低溫度下即能完成非晶態(tài)材料制備，無需在材料制備過程中采用急冷熱處理過程，相應(yīng)的無需急冷處理裝置，如此既降低了非晶態(tài)材料的制備成本，便于大規(guī)模推廣，同時(shí)也提高了非晶態(tài)材料的制備效率，適用于高通量樣品制備。

附圖說明

圖1為本發(fā)明非晶態(tài)材料制備方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

實(shí)施例一

以鐵-硼-鋁(fe-b-al)非晶態(tài)合金材料的制備方法為例說明本發(fā)明的非晶態(tài)材料制備方法。

fe-b-al非晶態(tài)合金材料的制備過程中，通過磁控濺射方法進(jìn)行fe材料、al材料薄膜沉積、通過電子束蒸發(fā)的方法進(jìn)行b材料薄膜沉積。

在真空環(huán)境下，調(diào)節(jié)fe材料沉積源的沉積功率，同時(shí)調(diào)節(jié)fe材料沉積源與基片之間的間距，通過磁控濺射方法在基片上進(jìn)行fe材料薄膜沉積，保證基片上沉積的該層fe材料薄膜厚度遠(yuǎn)小于fe材料的擴(kuò)散-結(jié)晶臨界厚度，本實(shí)施例中，fe材料薄膜的厚度為1.5nm。

隨之調(diào)節(jié)b材料沉積源的沉積功率，同時(shí)調(diào)節(jié)b材料沉積源與基片之間的間距，通過電子束蒸發(fā)的方法在fe材料薄膜上進(jìn)行b材料薄膜沉積，保證基片上沉積的該層b材料薄膜厚度遠(yuǎn)小于b材料的擴(kuò)散-結(jié)晶臨界厚度，本實(shí)施例中，b材料薄膜的厚度為0.5nm。

然后調(diào)節(jié)al材料沉積源的沉積功率，同時(shí)調(diào)節(jié)al材料沉積源與基片之間的間距，通過磁控濺射方法在基片上進(jìn)行al材料薄膜沉積，保證基片上沉積的該層al材料薄膜厚度遠(yuǎn)小于al材料的擴(kuò)散-結(jié)晶臨界厚度，本實(shí)施例中，al材料薄膜的厚度為1.8nm。

依次循環(huán)上述操作，直至沉積的fe-b-al薄膜總厚度達(dá)到要求厚度，從而制成fe-b-al-fe-b-al……超晶格結(jié)構(gòu)多層膜樣品。

在普通水冷裝置的控制下，將上述fe-b-al-fe-b-al……超晶格結(jié)構(gòu)多層膜樣品的制備過程放置在室溫條件下進(jìn)行。然后再將所制備的fe-b-al-fe-b-al……超晶格結(jié)構(gòu)多層膜樣品放置在100℃的環(huán)境中、大氣壓下進(jìn)行3小時(shí)的熱處理，即可完成fe-b-al非晶態(tài)樣品的制備。

實(shí)施例二

鋁-銅-鉬(al-cu-mo)組合材料芯片非晶態(tài)前驅(qū)體作為一種非晶態(tài)材料，本實(shí)施例中以al-cu-mo組合材料芯片非晶態(tài)前驅(qū)體的制備方法為例說明本發(fā)明的非晶態(tài)材料制備方法。

本實(shí)施例的al-cu-mo組合材料芯片非晶態(tài)前驅(qū)體的制備過程中，通過蒸發(fā)的方法進(jìn)行al材料、cu材料和mo材料薄膜沉積，蒸發(fā)的方法可以根據(jù)需要選擇電阻蒸發(fā)的方法、電子束蒸發(fā)的方法或者激光燈蒸發(fā)的方法。

本實(shí)施中需要制備的al-cu-mo組合材料芯片非晶態(tài)前驅(qū)體中的各成分材料呈梯形分布。本實(shí)施例中采用連接掩膜的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)al、cu、mo三種材料的梯度成分分布。

通過控制每種材料各層厚度在1n以下，該厚度遠(yuǎn)小于材料al、cu、mo的擴(kuò)散-結(jié)晶臨界厚度，如此沉積后無需專門測量各材料的沉積厚度是否小于對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散-結(jié)晶臨界厚度。如此實(shí)現(xiàn)多層膜超晶格結(jié)構(gòu)的制備，通過控制連續(xù)掩模的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)梯度成分分布。

首先控制連續(xù)掩模位于基片一個(gè)邊的邊緣。

先調(diào)節(jié)al材料蒸發(fā)源的功率和氣壓等參數(shù)以控制al材料的沉積速率，同時(shí)調(diào)節(jié)al材料沉積源與基片之間的間距，al材料通過蒸發(fā)沉積基片上以形成al材料薄膜，沉積過程中對(duì)al材料沉積速率的控制能夠保證基片上沉積的該層al材料薄膜厚度遠(yuǎn)小于al材料的擴(kuò)散-結(jié)晶臨界厚度，本實(shí)施例中，當(dāng)沉積的al材料薄膜的厚度達(dá)到1nm時(shí)，關(guān)閉al材料蒸發(fā)源。

控制基片按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn)120度，保持掩模板與基片的相對(duì)位置不變。

調(diào)節(jié)cu材料蒸發(fā)源的功率和氣壓等參數(shù)以控制cu材料的沉積速率，同時(shí)調(diào)節(jié)cu材料沉積源與基片之間的間距，cu材料通過蒸發(fā)沉積基片上以形成cu材料薄膜，沉積過程中對(duì)cu材料沉積速率的控制能夠保證基片上沉積的該層cu材料薄膜厚度遠(yuǎn)小于cu材料的擴(kuò)散-結(jié)晶臨界厚度，本實(shí)施例中，當(dāng)沉積的cu材料薄膜的厚度達(dá)到0.8nm時(shí)，關(guān)閉cu材料蒸發(fā)源。

控制基片按照順時(shí)針繼續(xù)旋轉(zhuǎn)120度，保持掩模板與基片的相對(duì)位置不變。

調(diào)節(jié)mo材料蒸發(fā)源的功率和氣壓等參數(shù)以控制mo材料的沉積速率，同時(shí)調(diào)節(jié)mo材料沉積源與基片之間的間距，mo材料通過蒸發(fā)沉積基片上以形成mo材料薄膜，沉積過程中對(duì)mo材料沉積速率的控制能夠保證基片上沉積的該層mo材料薄膜厚度遠(yuǎn)小于mo材料的擴(kuò)散-結(jié)晶臨界厚度，本實(shí)施例中，當(dāng)沉積的mo材料薄膜的厚度達(dá)到0.9nm時(shí)，關(guān)閉mo材料蒸發(fā)源。

將移動(dòng)掩模向前移動(dòng)一步，移動(dòng)掩模移動(dòng)的每一步的步長為基片高/總步數(shù)。

重復(fù)上述步驟，直至完成al-cu-mo梯度超晶格結(jié)構(gòu)組合材料芯片前驅(qū)體樣品的制備。

將上述al-cu-mo組合材料芯片梯度超晶格結(jié)構(gòu)樣品置于真空熱處理爐中，充氮?dú)獗Ｗo(hù)并抽真空，在100℃的熱處理環(huán)境中，對(duì)樣品進(jìn)行2小時(shí)的擴(kuò)散熱處理，該熱處理過程中al、cu、mo材料完成均勻擴(kuò)散，均勻混合為原子量級(jí)的非晶態(tài)混合物。如此則完成了al-cu-mo組合材料芯片非晶態(tài)前驅(qū)體的制備。