一种非晶合金微纳结构制备方法

1.本发明涉及非晶合金微微加工技术领域，具体涉及一种非晶合金微纳结构制备方法。


背景技术：

2.非晶合金作为一类结构不同于传统晶体金属、性能优异的新型材料一直是凝聚态物理学家和材料学家关注的热门领域。近几十年来，非晶合金的基础理论研究和制备工艺都取得了巨大进步，非晶合金作为一类极具应用前景的结构材料和功能材料，正在逐渐由实验室走向商业应用。但是由于非晶合金特殊的材料特性，现有的制造方法限制了其商业批量生产应用。先进制造技术的前沿持续向微型化发展，传统晶体材料受制于晶粒的尺寸效应，纳米尺度下晶体材料的高屈服应力和不均匀局域变形使其难以制备纳米尺度的微型元器件。非晶合金内部不存在晶粒、位错等，成形尺度不受晶粒尺寸限制，同时在过冷液相区具有超塑性变形能力，因此在微纳器件制造领域是一种极具应用前景的新型材料。
3.现有的非晶合金微纳制备技术主要是微纳压印，微纳压印主要依靠非晶合金过冷液相区的超塑性变形能力，但热塑性成形过程中在应变、温度的作用下材料容易发生晶化、氧化，而且超塑性条件苛刻，工艺参数敏感，仅适用于一些过冷液相宽、热稳定性好的非晶成分。
4.聚焦离子束技术(fib)利用高强度聚焦离子束对材料进行纳米加工，可同时实时观察和加工，成为了纳米级分析、制造的主要方法之一。目前已广泛应用于半导体集成电路修改、离子注入、切割和故障分析等，现有聚焦离子束加工是基于材料溅射去除材料以实现纳米加工，常规的镓离子聚焦离子束束斑较大不容易加工三十纳米以下尺寸结构。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种非晶合金微纳结构制备方法，利用非晶合金在离子束辐照下的特殊的塑性流动，实现定量定向的加工非晶合金微纳结构。
6.本发明解决技术问题所采用的技术方案是，提供一种非晶合金微纳结构制备方法，包括以下步骤：
7.s1:在非晶合金表面根据加工需要预制特定的纳米结构；
8.s2:使用离子束辐照所述的纳米结构，利用非晶合金在离子辐照下的塑性变形，得到精确需要的纳米结构。
9.进一步的，加工步骤如下：在步骤s1之前，需要先对非晶合金进行抛光，并使用超声进行清洗。
10.进一步的，所述抛光的要求为表面无明显划痕，超声清洗时，先使用酒精清洗三次，后再用纯水清洗三次，每次清洗时长为5-15min。
11.进一步的，在步骤s1中，预制纳米结构的方式为刻蚀、聚焦离子束溅射加工、热压印或激光诱导。
12.进一步的，在步骤s2之前，需将非晶合金置于真空环境，并进行等离子清洗，步骤s2在真空环境下进行。
13.进一步的，所述真空环境的真空度的范围最低要求为1.0e-4torr，等离子体清洗所采用的气体为压缩空气、氧气、氩气或氮气。
14.进一步的，在步骤s2中，离子源采用不容易与金属发生反应的离子。
15.进一步的，离子源采用氦离子、氖离子、氩离子、氪离子或氙离子。
16.进一步的，在步骤s2中，离子束辐照的参数为：电压为5-300kv，束流为0.1pa-1na,辐照时间为0.5s-1h，辐照范围0.5nm-1000nm。
17.进一步的，所述非晶合金为锆基、钛基或铜基。
18.进一步的，所述纳米结构包括孔、槽、线中的至少一种。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
20.第一，利用非晶合金在离子束辐照下的特殊的塑性流动，实现定量定向的加工非晶合金微纳结构；
21.第二，加工精度高，可控性强，可精确实现十纳米级的微纳结构的加工；
22.第三，加工过程中不影响材料非晶态结构，材料不发生晶化、氧化；
23.第四，适用性广，对非晶成分无特殊要求。
附图说明
24.下面结合附图对本发明专利进一步说明。
25.图1为采用本方法制备的10nm非晶合金纳米孔的tem图。
26.图2为采用本方法制备非晶合金纳米槽的sem图。
27.图3为采用本方法制备非晶合金纳米线的sem图。
28.图4为本方法制备的非晶合金特殊结构的sem图。
29.图5为透射电镜下观察样品进行fft分析的示意图。
30.图6为孔变形尺寸与束流2pa的离子束的作用时间关系图。
31.图7为孔变形尺寸与束流5pa的离子束的作用时间关系图。
32.图8为孔变形尺寸与束流10pa的离子束的作用时间关系图。
33.图9为不同束流的离子束作用下孔变形尺寸速率的对比图。
具体实施方式
34.下面更详细地描述本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
35.实施例1：
36.如图1-4所示，实施例1提供一种非晶合金微纳结构制备方法，本方法一方面，可弥补微纳压印热塑性成形过程中在应变、温度的作用下材料容易发生晶化、氧化且适用于一些过冷液相宽、热稳定性好的非晶成分的限制，另一方面可弥补普通镓离子聚焦离子束束斑较大难加工30nm以下尺寸结构的问题；
37.制备步骤如下：
38.s1:在非晶合金表面根据加工需要预制特定的纳米结构；
39.s2:使用离子束辐照所述的纳米结构，利用非晶合金在离子辐照下的塑性变形，得到精确需要的纳米结构。
40.在本实施例中，加工步骤如下：在步骤s1之前，需要先对非晶合金进行抛光，并使用超声进行清洗。
41.在本实施例中，所述抛光的要求为表面无明显划痕，超声清洗时，先使用酒精清洗三次，后再用纯水清洗三次，每次清洗时长为5-15min。
42.在本实施例中，在步骤s1中，预制纳米结构的方式为刻蚀、聚焦离子束溅射加工、热压印或激光诱导。
43.在本实施例中，在步骤s2之前，需将非晶合金置于真空环境，并进行等离子清洗，步骤s2在真空环境下进行。
44.在本实施例中，所述真空环境的真空度的范围最低要求为1.0e-4torr，等离子体清洗所采用的气体为压缩空气、氧气、氩气或氮气。
45.在本实施例中，在步骤s2中，离子源采用不容易与金属发生反应的离子，在实际应用中，离子源种类可以是氦离子、氖离子、氩离子、氪离子或氙离子。
46.在本实施例中，在步骤s2中，离子束辐照的参数为：电压为5-300kv，束流为0.1pa-1na,辐照时间为0.5s-1h，辐照范围0.5nm-1000nm。
47.在本实施例中，非晶合金的成分可以是几乎任意非晶合金成分，包括且不仅限于锆基、钛基、铜基等。
48.在本实施例中，预制的纳米结构根据需要制备的结构进行设计，可以是孔、槽、线或其他特殊结构。
49.本方法利用非晶合金在离子束辐照下的特殊的塑性流动，实现定量定向的加工非晶合金微纳结构。
50.本方法加工精度高，可控性强，可精确实现十纳米级的微纳结构的加工。
51.本方法加工过程中不影响材料非晶态结构，材料不发生晶化、氧化。
52.本方法适用性广，对非晶成分无特殊要求。
53.实施例2：
54.如图1、5-9所示，实施例2提供一次采用实施例1所述的方法以利用氦离子辐照实现非晶合金纳米结构进行加工实验的示例。
55.具体为：
56.在50-200nm厚的非晶薄膜样品上上，预先使用聚焦离子束或刻蚀出50-500nm的圆孔；
57.使用氦离子束辐照所述的纳米结构，利用非晶合金在离子辐照下的塑性变形，得到精确需要的纳米结构；
58.该样品经过氦离子辐照后，非晶合金发生塑性变形，样品沿着本来没有材料的方向进行“生长”，对于预制结构为孔的样品，变形表现为样品孔直径变小，且变形过程可控，孔变形尺寸与离子束参数及时间关系如下图6-9所示，孔变形量与离子束的剂量和时间成正比，可以可控的得到想要的各种孔直径，可实现约10nm的纳米孔的制备，且制备的非晶合
金纳米结构没有发生相变。
59.如图5所示，透射电镜下观察样品进行fft分析仍表现为非晶态，样品变形后仍保持原有的材料成分和结构。
60.在本实施例中，该方法不仅限于制造纳米孔，对于纳米槽、纳米线等结构同样适用，利用聚焦离子束高度可控的特点，结合预制结构的设计，可以实现非晶合金纳米尺度复杂结构的制备。
61.在本实施例中，原预制的纳米结构的尺寸大于离子辐照后发生塑性变形后的纳米结构尺寸。
62.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项被定义，则在随后中不需要对其进行进一步讨论。
63.在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
64.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。
65.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
66.本技术如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸的固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
67.上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。