二、纳米晶
2.1纳米晶的定义
具有纳米级超细晶组织的材料
2.2 纳米效应
1.体积效应
由于粒子尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化 称为体积效应。
2.量子尺寸效应
当离子尺寸达到纳米量级时，金属费米能及附近 的电子能级由准连续变为分立能级的现象称为量子尺寸 效应。
3.表面效应 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总 原子数之比随着粒径减小而增大后而引起的性质 上的改变。 4.宏观量子隧道效应 微观粒子具有的穿越势垒的能力称为隧道
磁控溅射制备纳米纯金属简介
• 一、溅射法
1.1 溅射法定义分类及特点 1.2 辉光放电与等离子体 1.3 直流 2.2 纳米效应
• 三、研究进展 • 四、纯金属磁性
1.1 溅射法定义分类及特点

溅射法

利用带电离子在电磁场的作用下获得足 够的能量，轰击固体（靶）物质，从靶 材表面被溅射出来的原子以一定的动能 射向衬底，在衬底上形成薄膜。 直流溅射
8 Ge
• 研究内容： 用磁控溅射和退火方法制备多层锗纳米 晶 结论： 退火的样品中有Ge纳米晶形成
9 Cu
• 研究内容： 纳米Cu粒子的制备及其微观结构 • 结论： 利用磁控溅射与液氮冷凝相结合制备的 Cu颗粒呈球状，其统计尺寸基本符合正态 分布规律
四、纯金属的磁性
• 到目前为止,仅有四种金属元素在室温以上 是铁磁性的，即铁、钴、镍和钆。 居里温度分别为：铁768℃,钴1070℃,镍 376℃,钆20℃。 • 极低低温下有五种元素是铁磁性的，即铽、 镝、钬、铒和铥。
形成辉光放电。

辉光放电过程中，将产生Ar离子， 阴极材料原子，二次电子，光子 等。
电极 等离子体 真空室
匹配部件
RF 发生器
高真空泵
• 等离子体 等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体， 包含中性原子或分子、原子团、带电离子和自由 电子。 • 作用： 1、提供发生在衬底表面的气体反应所需要的大 部分能量
4 Ti
• 研究内容： 纳米晶钛薄膜的制备及结构分析 • 结论： 基片预热温度对膜特性有一定影响,较高 的温度有利于提高膜的致密程度,晶粒择优 取向程度降低。
5 Al
• 研究内容: 磁控溅射Al 膜的 性能分析及其制备工 艺研究 • 结论： 溅射功率和溅射时间对铝膜表面粗糙度 有影响,通过延长溅射时间或提高溅射功率 可使膜的平均颗粒直径增大。
效应，人们发现一些宏观量,例如微粒的磁化强 称为宏观量子隧道效应。
度﹑量子相干器件中心的磁通量也具有隧道效应，
三、研究举例
• 1、Ni • 研究内容： （1）纯Ni 及其溅射纳米晶涂层在700 ~ 900°C的氧化行为 结论：纳米晶纯Ni 的氧化增重高于纯Ni, 即 经溅射纳米化纯Ni的氧化速率变快。
（2） 纯镍纳米晶体的晶格膨胀 结论： 1) 高频溅射制得的纯Ni纳米晶体的晶格点 阵常数大于Ni单晶体的点阵常数，表现出明 显的晶格膨胀，随晶粒尺寸减小晶格膨胀 显著增大. 2)纳米晶体的晶格膨胀可以用纳米晶体的 热学状态进行解释，纳米晶体的晶格畸变 或膨胀，可能是纳米晶体表现出一些优异 性能的主要原因之一。
2、通过等离子刻蚀选择性地去处金属
1.3 直流二极溅射
一、溅射的产额：
被溅射出来的原子个数与 入射离子数之比。它与入
射能量，入射离子种类，
溅射物质种类及入射离子 的入射角度有关。
图3.7
二、溅射沉积装置
直流溅射装置及特性（只适用于靶材为良导体的溅射）
气体离子
二次电子
靶材离子
• 工作原理：
• 当加上直流电压后，辉光放电开始，正离子打击靶面，靶
7
Cr
• 研究内容： 基于磁控溅射离子镀技术的不同晶态纯Cr薄膜 微观组织结构研究 • 结论： 参数的改变均会通过影响纯Cr薄膜沉积生长 过程中的表面扩散能力和体扩散能力进而决定纯 C r薄膜的微观组织结构; 在进行纳米薄膜材料的 研发时, 于溅射环境下匹配恰当的电场参量, 即可 获得各种期望结构- 性能的薄膜。
材表面的中性原子溅射出，这些原子沉积在衬底上形成薄
膜。 • 在离子轰击靶材的同时，也有大量二次电子从阴极靶发射
出来，被电场加速向衬底运动，在运动过程中，与气体原
子碰撞又产生更多的离子，更多的离子轰击靶材又释放出 更多的电子，从而使辉光放电达到自持。
1.4 磁控溅射
产生：上世纪70年代。目前已在工业生产中应用。 原因：高速、低温、低损伤 特点：在阴极靶面上建立一个环形磁场以控制二次 电子的运动。 分类：柱状靶、平面靶、锥面靶
磁控溅射装置
磁控溅射特性
• 磁场的作用使电子不再做平行直线运动，而是围绕磁力线
做螺旋运动，这就意味着电子的运动路径由于磁场的作用 而大幅度地增加，从而有效地提高了气体的离化效率和薄 膜的沉积速率。 磁控溅射比直流和射频溅射的沉积速率高很多。原因：
1、磁场中电子的电离效率提高 2、在较低气压下（0.1Pa)溅射原子被散射的几率减小 提高了入射到衬底上的原子的能量，从而提高薄膜 的质量。
6 U
研究内容： 磁控溅射制备金属铀膜 结论： 通过磁控溅射方法, 成功制备出氧与其它杂 质含量的单质金属铀薄膜, 铀薄膜表面光洁、 结构致密, 表面均方根粗糙度为nm 量级。溅射 铀镀层与铝镀层界面存在界面扩散与反应, 从 而形成UAl2和U Al3合金相, 扩散层厚度约10 nm, 50 nm Al 镀层对铀镀层具有良好的保护效 果。
参考文献：
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2 Au
• 研究内容：磁控溅射制备纳米厚度连续金 膜 • 结论：在20W功率条件下可实现纳米级厚 度表面粗糙度小于1nm的超光洁连续Au薄 膜可控生长。
3.Ag
• 研究内容： Ag 纳米粒子磁控溅射制备及其热稳定性研 究 • 结论：Ag 纳米粒子在空气中＜200℃下比 较稳定，在400℃左右会发生明显蒸发
磁控溅射 偏压溅射

溅射法的分类

射频溅射
反应溅射
• 溅射镀膜的特点 （1）任何待镀材料 （2）薄膜与基片结合较好 （3）薄膜纯度高，致密性好 （4）可重复性好，可大面积获得均匀薄膜
1.2 辉光放电和等离子体
辉光放电的物理基础

靶材是需要被溅射的物质，作为 阴极，相对阳极加数千伏电压，
在真空室内充入Ar气，在电极间