[发明专利]一种氮化镁薄膜及其制备方法

说明书

一种氮化镁(Mg₃N₂)薄膜及其制备方法，属于无机非金属材料领域。其是将高纯Mg靶和清洗后的衬底(硅、蓝宝石、石英、以六方氮化硼为缓冲层的硅、以六方氮化硼为缓冲层的蓝宝石等)放入射频磁控溅射生长室内，采用反应射频磁控溅射技术，利用高纯N₂在强电场下电离形成等离子体与溅射出来的Mg反应，生成Mg₃N₂沉积在衬底上形成薄膜。本发明方法简单，成本低廉，安全可靠，无毒无害；同时可以通过调节Mg靶的靶距、溅射功率、溅射时间以及衬底温度等参数来控制薄膜的生长速率和薄膜厚度，可获得大面积、高质量的Mg₃N₂薄膜，实现薄膜的可控性以及重复性生长。

技术领域

本发明属于无机非金属材料技术领域，具体涉及一种氮化镁(Mg₃N₂)薄膜及其制备方法。

背景技术

Mg₃N₂是镁和氮的无机化合物。在室温和标准大气压下，工业上生产的Mg₃N₂是一种黄绿色粉末。Mg₃N₂的工业用途很广泛，常作为烧结助剂用来制备高硬度、高导热性、耐腐蚀、耐磨损、耐高温的氮化硼、氮化硅等特种陶瓷材料。Mg₃N₂在储氢材料、核燃料回收、建筑钢材的冶炼等方面也有重要作用。此外，Mg₃N₂作为触媒，还能在高温高压下促进六方氮化硼转化为立方氮化硼，同时促进生成六方氮化硼的反应。

第一性原理计算表明，常温常压下Mg₃N₂具有反方铁锰矿结构，属于立方晶系，晶格常数约为为直接带隙半导体材料。根据Mg₃N₂的紫外可见吸收光谱可以确定其光学带宽约为2.8eV。因此，Mg₃N₂作为电子功能材料也具有应用前景。为了实现Mg₃N₂在电子功能材料方面的应用，制备出高质量Mg₃N₂薄膜是非常关键的。

目前制备Mg₃N₂的方法主要包括：氧化镁为催化剂下金属镁与氮气直接反应法、在氮气气氛中镁线圈的爆炸法、低压化学气相沉积法、镁与氨气的直接反应法、镁与氮在氮等离子体中的反应法等。上述方法中制备的多为粉末，虽已实现工业化生产，但制备的Mg₃N₂粉末中含有较多杂质。制备Mg₃N₂薄膜的相关报道较少，G.Soto等人利用脉冲激光沉积法，在硅衬底上能够制备出镁与氮化学计量比不同的无定型Mg₃N₂薄膜。上述这些制备方法成本较高、操作较为复杂、Mg₃N₂产率较低、难以生长出大面积高质量的Mg₃N₂薄膜。

发明内容

本发明目的在于提供一种成本低廉、安全可靠、易于操作、能够获得高质量大面积Mg₃N₂薄膜及其制备方法。其是将高纯Mg靶和清洗后的衬底放入射频磁控溅射生长室内，采用反应射频磁控溅射技术，利用高纯N₂在强电场下电离形成等离子体与溅射出来的Mg反应，生成Mg₃N₂沉积在衬底上形成薄膜。

本发明所采用的原料为高纯镁靶材(纯度99.95％以上)，氮源为高纯氮气(纯度99.999％以上)。

本发明所述的一种Mg₃N₂薄膜的制备方法，是反应磁控溅射法，其步骤如下：