[发明专利]纳米多孔铜薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米多孔金属及其制备方法，尤其是涉及两种利用尖端集电原理制备的纳米多孔铜薄膜及其制备方法。

背景技术

纳米多孔金属（NPM）是一种具有纳米尺寸孔洞的材料，其孔径尺寸一般为几纳米至几十纳米。纳米级的孔径尺寸使NPM拥有更高的比表面积以及独特的物理、化学和力学性能，从而在催化剂、传感器、致动器、燃料电池以及微流控等许多技术领域具有潜在应用前景（参见文献：1. Qi Z, Zhao CC, Wang XG, et al. J. Phys. Chem. C, 2009, 113: 6694）。目前， NPM的制备方法主要有模板法（参见文献：1. Masuda H, Fukuda K. Science, 1995, 268: 1466; 2. Attard GS, Bartlett PN, Coleman NRB, et al. Science, 1997, 278: 838）、脱合金法（参见文献：1. Erlebacher J, Aziz MJ, Karma A, et al. Nature, 2001, 410: 450; 2. Zhao C, Qi Z, Wang X, Zhang Z. Corros Sci, 2009, 51: 2120）和掠射角度沉积法（GLAD, 参见文献：1. Robbie K, Friedrich LJ, Dew SK, et al. J Vac Sci Technol A, 1995, 13: 1032; 2. Liu F, Umlor MT, Shen L, et al. J Appl Phys, 1999, 85: 5486）。这些方法虽然各有优点，但也存在着一些缺点。比如，模板法工艺复杂，除制备模板、沉积薄膜外，通常需要用热处理或溶剂溶解办法去除模板，而且孔径大小、分布以及面积等都受限于模板。脱合金法包括合金化和脱合金化过程，工艺较为复杂，而且它较适合厚合金带材（微米级以上）的腐蚀，一般得到的是3D的双连续多孔结构；GLAD法则主要用于制备3D的多孔柱状结构。这种多孔的纳米块体金属显然不适应集成化要求越来越高的集成电路和微电子器件以及纳米器件发展的需要。此外，在上述传统方法制备的双连续多孔结构和多孔柱状结构中，金属韧带（ligament）和金属柱（column）的截面一般为圆形，沿径向方向具有各向同性的特点。

发明内容

本发明的目的是提供两种大面积均匀的各向异性的纳米多孔铜（NPC）薄膜的简易制备方法。本发明所述的两种NPC薄膜，一种是多孔的三棱柱状（triangular prism）结构，一种是双连续的“三角韧带–孔道”（triangular ligament-channel）结构，其中金属韧带和金属柱的截面大多为三角形，具有各向异性的特点。

本发明的技术方案是通过施加衬底负偏压，在预溅射的粗糙金属薄膜表面上产生尖端集电效应，诱导入射金属原子在各个方向上进行选择性沉积，从而制得NPC薄膜。纳米多孔铜薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1）采用JGP500A型平衡磁控溅射镀膜系统，先将干净的绝缘载玻片固定在样品盘上作为NPC薄膜的间接衬底，再将纯度为99.99%的铜靶安装在射频源上，并调节衬底与铜靶之间的距离为15cm；

2）关上腔门抽真空至5.0×10^-4 Pa，然后通流量为15sccm、纯度为99.999%的高纯Ar气，并保持腔室气压为0.1pa；

3）在室温和施加0V或–100V直流偏压条件下，用RF100W的功率先在绝缘载玻片上预溅射一层金属铜膜，作为NPC薄膜的直接衬底；

4）在室温和施加–100V直流偏压条件下，再用RF100W的功率作进一步溅射沉积，诱导入射铜原子在铜膜衬底表面上进行选择性优先沉积，制备得到NPC薄膜。

所述步骤3）中的铜膜厚度为30nm，所述步骤4）中NPC薄膜的厚度为120nm。当施加0V直流偏压时，制备得到的NPC薄膜为多孔的三棱柱状结构，其中三棱柱的截面尺寸为42nm，沟壑宽度为20nm；当施加–100V直流偏压时，制备得到的NPC薄膜为双连续的“三角韧带–孔道”结构，其中三角韧带的截面尺寸为21nm，孔道尺寸为12nm。

本发明的优点和创新性在于：