一种高效制备Ti-Ta高温记忆合金薄膜的方法
【专利摘要】一种高效制备Ti-Ta高温记忆合金薄膜的方法，本发明涉及薄膜的制备方法。本发明要解决现有Ti-Ta合金薄膜单靶溅射工序复杂、效率低的问题。方法：取Ta靶及对Ti靶进行扇形镂空处理，将Ta靶置于镂空处理后的Ti靶底部，得到复合靶材，将复合靶材装入单室磁控溅射仪的靶位上，将衬底固定在样品托上，然后抽真空，通入氩气，利用直流磁控溅射，以复合靶材作为阴极进行沉积，即得到Ti-Ta高温记忆合金薄膜。本发明用于一种高效制备Ti-Ta高温记忆合金薄膜的方法。
【专利说明】一种高效制备Ti-Ta高温记忆合金薄膜的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及薄膜的制备方法。
【背景技术】
[0002] 目前，智能材料及器件正朝着轻量化、小型化、集成化的方向发展，记忆合金的薄 膜可作为微驱动器和微传感器广泛应用在微机电系统（MEMS)中。目前关于记忆合金薄膜 的研究主要集中在Ti-Ni合金薄膜方面，Ti-Ni合金薄膜具有优异的形状记忆和超弹性性 能、良好的力学性能，但Ti-Ni合金薄膜的Ms温度低于KKTC，其驱动元件使用温度一般低 于这个温度，而不能用于火灾预警和保护系统、电流过载保护以及核反应堆中的驱动装置 等。目前相变较高的记忆合金体系主要有以下集中Ni-Mn-Ga、Ti-Ni-Hf、Ti-Ni-Pt/Pd/Au， 其中Ni-Mn-Ga、Ti-Ni-Hf等合金薄膜均存在脆性较大的问题，而有Pd, Pt和Au等贵金属 添加的Ti-Ni基高温记忆合金薄膜虽相变温度较高，但成本昂贵。Ti-Ta合金薄膜塑性大、 加工性能良好、容易加工成器件，并且其相变温度可通过调控成分在l〇〇°C?500°C之间变 化，所以Ti-Ta高温记忆合金薄膜可被认为在微机电领域有较大发展前景的微驱动器、微 传感器材料。然而在合金薄膜的制备过程中，目前多用合金靶材溅射获得薄膜，而Ta为难 烙金属，烙炼Ti-Ta合金十分困难，且一个合金祀材只能用于制备一种特定成分的Ti-Ta合 金薄膜，工序复杂、效率低。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决现有Ti-Ta合金薄膜单靶溅射工序复杂、效率低的问题，而提供一 种高效制备Ti-Ta基高温记忆合金薄膜的方法。
[0004] 一种高效制备Ti-Ta高温记忆合金薄膜的方法是按以下步骤完成的：
[0005] -、首先对Ti靶进行扇形镂空处理，得到镂空处理后的Ti靶，再将Ta靶置于镂空 处理后的Ti靶底部，得到复合靶材；所述的复合靶材中Ti的原子分数为70%?90% ;
[0006] 二、将复合靶材装入单室磁控溅射仪的靶位上，将衬底固定在样品托上，且衬底与 复合靶材相向而置，衬底与复合靶材之间的距离为60mm?80mm ;
[0007] 三、抽真空，当真空腔的真空度达到1.5X KT4?3X KT5Pa后，通入氩气至压强为 0· IPa ?0· 15Pa ;
[0008] 四、利用直流磁控溅射，并调节溅射功率为100W?200W，以复合靶材作为阴极进 行沉积〇. 5h?2h，即得到Ti-Ta高温记忆合金薄膜。
[0009] 本发明的有益效果是：本发明采用直流磁控溅射的方法制备的Ti-Ta高温记忆合 金薄膜，其相变温度可达l〇〇°C以上，可在较高的温度下应用，具有良好的力学性能，且制备 方法简单、成本较低，与传统的单靶溅射相比，减少了用真空电弧熔炼以及轧机轧制合金靶 材这两个步骤，减少了对设备的需求和工序，从而提高了效率。
[0010] Ti-Ta合金薄膜沉积后无需退火即可晶化，并呈现了良好的机械性能，可从SiOJf 底上直接剥离，可得到完好的合金薄膜；将采用NaCl单晶片或KBr单晶片作为衬底沉积的 薄膜置于水中，NaCl单晶片或KBr单晶片遇水可溶化，也可得到完整的Ti-Ta合金薄膜。 [0011] 本发明的Ti-Ta高温记忆合金薄膜的制备方法，可通过调节Ta的含量来调控薄膜 的相变温度，Ti-Ta合金薄膜的相变温度随Ta含量的降低而升高，相变温度高于100°C，且 薄膜具有良好的塑性，可以满足高温应用的需要。通过复合单靶代替Ti-Ta合金靶材，避免 了 Ti-Ta合金难以熔炼，且一种靶材只能用于制备一种成分的合金薄膜的问题，用此方法 只需改变价格相对较低的Ti金属靶材中镂空扇形的尺寸即可改变薄膜的成分，并且沉积 后无需退火即可得到晶化的薄膜，大幅提高了制备效率并降低了成本，在微机电系统中具 有良好的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为实施例一中的Ti-Ta高温记忆合金薄膜典型截面SEM形貌图；
[0013] 图2为实施例一中Ti-Ta高温记忆合金薄膜典型表面SEM形貌图；
[0014] 图3为实施例一中Ti-Ta高温记忆合金薄膜室温拉伸应力-应变曲线。
【具体实施方式】
[0015] 本发明技术方案不局限于以下所列举的【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】之 间的任意组合。
【具体实施方式】 [0016] 一：本实施方式所述的一种高效制备Ti-Ta高温记忆合金薄膜的方 法是按以下步骤完成的：
[0017] 一、首先对Ti靶进行扇形镂空处理，得到镂空处理后的Ti靶，再将Ta靶置于镂空 处理后的Ti靶底部，得到复合靶材；所述的复合靶材中Ti的原子分数为70%?90% ;
[0018] 二、将复合靶材装入单室磁控溅射仪的靶位上，将衬底固定在样品托上，且衬底与 复合靶材相向而置，衬底与复合靶材之间的距离为60mm?80mm ;
[0019] 三、抽真空，当真空腔的真空度达到1.5X KT4?3X KT5Pa后，通入氩气至压强为 0· IPa ?0· 15Pa ;
[0020] 四、利用直流磁控溅射，并调节溅射功率为100W?200W，以复合靶材作为阴极进 行沉积〇. 5h?2h，即得到Ti-Ta高温记忆合金薄膜。
[0021] 本实施方式的有益效果是：本实施方式采用直流磁控溅射的方法制备的Ti-Ta高 温记忆合金薄膜，其相变温度可达KKTC以上，可在较高的温度下应用，具有良好的力学性 能，且制备方法简单、成本较低，与传统的单靶溅射相比，减少了用真空电弧熔炼以及轧机 轧制合金靶材这两个步骤，减少了对设备的需求和工序，从而提高了效率。
[0022] Ti-Ta合金薄膜沉积后无需退火即可晶化，并呈现了良好的机械性能，可从SiOJf 底上直接剥离，可得到完好的合金薄膜；将采用NaCl单晶片或KBr单晶片作为衬底沉积的 薄膜置于水中，NaCl单晶片或KBr单晶片遇水可溶化，也可得到完整的Ti-Ta合金薄膜。
[0023] 本实施方式的Ti-Ta高温记忆合金薄膜的制备方法，可通过调节Ta的含量来调 控薄膜的相变温度，Ti-Ta合金薄膜的相变温度随Ta含量的降低而升高，相变温度高于 100°C，且薄膜具有良好的塑性，可以满足高温应用的需要。通过复合单靶代替Ti-Ta合金 靶材，避免了 Ti-Ta合金难以熔炼，且一种靶材只能用于制备一种成分的合金薄膜的问题， 用此方法只需改变价格相对较低的Ti金属靶材中镂空扇形的尺寸即可改变薄膜的成分， 并且沉积后无需退火即可得到晶化的薄膜，大幅提高了制备效率并降低了成本，在微机电 系统中具有良好的应用前景。
【具体实施方式】 [0024] 二：本实施方式与一不同的是：步骤一中所述的Ti靶 厚度为2mm。其它与一相同。
【具体实施方式】 [0025] 三：本实施方式与一或二之一不同的是：步骤一中所 述的镂空处理后的Ti靶上有多个扇形镂空；扇形镂空是以Ti靶圆心为扇形圆心，扇形镂空 为角度为5°?10°的等角度扇形，且多个扇形镂空的扇形间隔角度相同。其它与具体实 施方式一或二相同。
【具体实施方式】 [0026] 四：本实施方式与一至三之一不同的是：步骤二中所 述的衬底为SiO 2单晶片、NaCl单晶片或KBr单晶片。其它与一至三相同。
[0027] 本实施方式中所述的SiO2单晶片为（100)单面抛光单晶片。
【具体实施方式】 [0028] 五：本实施方式与一至四之一不同的是：所述的SiO2 单晶片在丙酮中超声波清洗20min?30min，然后在乙醇中超声波清洗20min?30min，最 后再去离子水中超声波清洗20min?30min。其它与一至四相同。
【具体实施方式】 [0029] 六：本实施方式与一至五之一不同的是：步骤三中抽 真空，当真空腔的真空度达到I. 5 X KT4Pa后，通入氩气至压强为0. 13Pa。其它与具体实施 方式一至五相同。
【具体实施方式】 [0030] 七：本实施方式与一至六之一不同的是：步骤四中利 用直流磁控溅射，并调节溅射功率为150W，以复合靶材作为阴极进行沉积2h。其它与具体 实施方式一至六相同。
[0031] 采用以下实施例验证本发明的有益效果：
[0032] 实施例一：
[0033] 本实施例所述的一种高效制备Ti-Ta基高温记忆合金薄膜的方法，具体是按照以 下步骤进行的：
[0034] 设计Ti-Ta合金薄膜中的Ti含量为原子百分比78% ;
[0035] 一、首先对Ti靶进行扇形镂空处理，得到镂空处理后的Ti靶，再将Ta靶置于镂空 处理后的Ti靶底部，得到复合靶材；所述的复合靶材中Ti的原子分数为78% ;
[0036] 二、将复合靶材装入单室磁控溅射仪的靶位上，将衬底固定在样品托上，且衬底与 复合靶材相向而置，衬底与复合靶材之间的距离为70mm ;
[0037] 三、抽真空，当真空腔的真空度达到I. 5 X KT4Pa后，通入氩气至压强为0. 13Pa ;
[0038] 四、利用直流磁控溅射，并调节溅射功率为150W，以复合靶材作为阴极进行沉积 2h，即得到Ti-Ta高温记忆合金薄膜。
[0039] 所述的Ti靶厚度为2mm。
[0040] 所述的镂空处理后的Ti祀上有8个扇形镂空；扇形镂空是以Ti祀圆心为扇形圆 心，扇形镂空为角度为10°的等角度扇形，且8个扇形镂空的扇形间隔角度相同。
[0041] 所述的SiO2单晶片需在丙酮中超声波清洗20min，然后在乙醇中超声波清洗 20min，最后再去离子水中超声波清洗20min。
[0042] 图1为实施例一中的Ti-Ta高温记忆合金薄膜典型截面SEM形貌图；由图1可知， 薄膜与SiO 2单晶片衬底结合良好，界面清晰。在薄膜截面上观察到明显的柱状形貌，柱状 结构从衬底表面向薄膜表面延伸，这说明薄膜生长过程中呈现典型的柱状生长模式。
[0043] 图2为实施例一中Ti-Ta高温记忆合金薄膜典型表面SEM形貌图；由图2可知， 沉积后薄膜的表面形貌，颗粒大小相对均匀，成膜质量良好，表明平整、致密，无明显孔洞存 在。
[0044] 图3为实施例一中Ti-Ta高温记忆合金薄膜室温拉伸应力-应变曲线，由图可知， 所制备的薄膜利用拉伸法测形状记忆效应，试样在加热后完全可恢复应变为1. 7%。
[0045] 表1 :实施例一中的Ti-Ta基高温记忆合金薄膜成分
[0046]
【权利要求】
1. 一种高效制备Ti-Ta高温记忆合金薄膜的方法，其特征在于一种高效制备Ti-Ta高 温记忆合金薄膜的方法是按以下步骤完成的： 一、 首先对Ti靶进行扇形镂空处理，得到镂空处理后的Ti靶，再将Ta靶置于镂空处理 后的Ti靶底部，得到复合靶材；所述的复合靶材中Ti的原子分数为70%?90% ; 二、 将复合靶材装入单室磁控溅射仪的靶位上，将衬底固定在样品托上，且衬底与复合 革巴材相向而置，衬底与复合祀材之间的距离为60mm?80mm ; 三、 抽真空，当真空腔的真空度达到1.5XKT4?3Xl(T5Pa后，通入氩气至压强为 0? IPa ?0? 15Pa ; 四、 利用直流磁控溅射，并调节溅射功率为100W?200W，以复合靶材作为阴极进行沉 积0. 5h?2h，即得到Ti-Ta高温记忆合金薄膜。
2. 根据权利要求1所述的一种高效制备Ti-Ta高温记忆合金薄膜的方法，其特征在于 步骤一中所述的Ti祀厚度为2mm。
3. 根据权利要求1所述的一种高效制备Ti-Ta高温记忆合金薄膜的方法，其特征在于 步骤一中所述的镂空处理后的Ti靶上有多个扇形镂空；扇形镂空是以Ti靶圆心为扇形圆 心，扇形镂空为角度为5°?10°的等角度扇形，且多个扇形镂空的扇形间隔角度相同。
4. 根据权利要求1所述的一种高效制备Ti-Ta高温记忆合金薄膜的方法，其特征在于 步骤二中所述的衬底为Si02单晶片、NaCl单晶片或KBr单晶片。
5. 根据权利要求4所述的一种高效制备Ti-Ta高温记忆合金薄膜的方法，其特征在于 所述的Si02单晶片在丙酮中超声波清洗20min?30min，然后在乙醇中超声波清洗20min? 30min，最后再去离子水中超声波清洗20min?30min。
6. 根据权利要求1所述的一种高效制备Ti-Ta高温记忆合金薄膜的方法，其特征在于 步骤三中抽真空，当真空腔的真空度达到1. 5Xl(T4Pa后，通入氩气至压强为0. 13Pa。
7. 根据权利要求1所述的一种高效制备Ti-Ta高温记忆合金薄膜的方法，其特征在于 步骤四中利用直流磁控溅射，并调节溅射功率为150W，以复合靶材作为阴极进行沉积2h。
【文档编号】C23C14/14GK104388904SQ201410752127
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月9日 优先权日:2014年12月9日
【发明者】郑晓航, 尧健, 冯毅伟, 隋解和, 蔡伟 申请人:哈尔滨工业大学