[发明专利]一种基于高温离子辐照制备梯度结构非晶薄膜的方法

说明书

本发明公开了一种基于高温离子辐照制备梯度结构非晶薄膜的方法，在采用磁控溅射镀制的高质量非晶薄膜的基础上，辅以高温离子辐照处理，使样品表面发生晶化而内部保持非晶结构，从而制备出具有梯度结构的高强度、高塑性的非晶薄膜。本发明制备的梯度非晶薄膜结构很容易通过控制离子辐照实验的温度和注入剂量来实现，从而为制备可控的高力学性能的非晶薄膜材料提供可能。

技术领域

本发明属于纳米金属薄膜材料技术领域，特别涉及一种基于高温离子辐照制备高强度、高塑性的梯度结构非晶薄膜的方法。

背景技术

非晶合金区别于晶体材料，具有长程无序，短程有序的原子排列特点，这一特点使得非晶合金的强度及塑性变形方式显著区别于晶体材料。一方面，非晶合金的强度显著高于晶体材料，使得非晶合金成为工程材料研发的热点之一。另一方面，由于缺乏晶体中的诸如位错一类的塑性变形载体，非晶合金的塑性变形通常集中在高度局域化的剪切带中，这一缺点在很大程度上限制了非晶合金在实际工程中的应用。

为了提升非晶合金的塑性变形能力，大量的研究中将晶体材料作为添加相，通过铸造的方式与非晶合金形成复合材料，以综合非晶合金的强度和晶体材料的塑性变形能力。这一途径虽然可以很大程度上提升非晶合金的塑性变形能力，但是依旧存在以下两个难以避免的缺陷：首先，非晶合金中形成的晶体相的成分、晶粒尺寸及体积分数不易控制；其次，制备得到的非晶/晶体复合材料虽然具有优于单相非晶合金的塑性变形能力，但是其强度往往呈现下降的趋势，即非晶合金高强度的优势受到了削弱。

另一种提升非晶合金塑性变形能力的途径是通过室温离子辐照处理，在非晶合金内部引入大量的过剩自由体积，从而增加其塑性变形载体(剪切转变区)的体积，进而提升非晶合金抵抗局域化变形的能力。这一方式存在着与上述方法同样的问题：在提升非晶合金塑性变形能力的同时，会导致非晶合金强度的下降。

发明内容

本发明的目的是通过高温(873±10K)离子辐照处理，使非晶合金薄膜呈现出表面晶体化而内部保持非晶结构的梯度材料形式，并同时对内部的非晶合金进行改性，以达到同时提升非晶合金强度和塑性变形能力的目的。该方式的优点是晶体层的厚度可控，并在改善非晶合金塑性变形能力的同时，进一步提升其强度，从而为制备高强度、高塑性的非晶合金薄膜材料提供可能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于高温离子辐照制备梯度结构非晶薄膜的方法。首先采用磁控溅射的方法在单晶硅(100)基底上沉积一层原子百分比为W₆₅Ni₃₅(at.％)的非晶薄膜，薄膜厚度为1微米，然后对这一非晶薄膜进行873±10K下进行He⁺离子辐照处理。

具体包括以下步骤：

1)将单面抛光单晶硅基片通过超声清洗以去除表面的氧化膜，然后放入超高真空磁控溅射设备基片台上，准备镀膜；

2)将需要溅射的纯W(99.99at.％)靶材和纯Ni(99.99at.％)靶材分别安置在靶材座上；

3)硅片溅射沉积时，采用直流和射频电源分别连接对应的靶材，溅射过程中通过电源功率的调控来达到设定的原子百分比，并通过沉积速率设置镀制时间，最终达到所需的总厚度。

4)将制备得到的非晶薄膜在873±10K下进行He⁺离子辐照处理。

进一步的，步骤1)中，单面抛光单晶硅(100)基片分别用丙酮、酒精及蒸馏水超声清洗20min至洁净，随后用吹风机将基片上残存的蒸馏水吹干。

进一步的，步骤3)中，电源的功率和对应的沉积速率分别为直流电源120±6W，沉积速率为6.5-7.1nm/min；射频电源80±4W，沉积速率为6.5-7.1nm/min，沉积得到薄膜总厚度为1微米。