一种Ti掺杂TiN的导电涂层及其制备方法与流程

一种ti掺杂tin的导电涂层及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及先进涂层制备技术领域，具体涉及一种ti掺杂tin的导电涂层及其制备方法。


背景技术：

2.tin硬质涂层以其制备工艺成熟稳定、价格低廉以及耐磨耐腐蚀特性好，而广泛应用于切削工具和机械零件的硬质涂层保护膜。如把氮化钛涂层镀在表壳、表带和其它日用品的表层，其耐腐蚀和耐磨性远超过镀金层和其它仿金合金镀层。近年来，随着科技的发展和工业的需求，tin涂层在mems、太阳能电池的背电极、燃料电池、纳米生物技术、节能镀膜玻璃等领域的应用需求也在不断上升。因此，关于tin涂层的研究已经从原有的注重力学和机械性能，逐渐转向光电等物理性能。
3.目前人们的研究还是主要集中在tin涂层的耐磨耐腐蚀等化学和机械性能上，对其电学和光学性能的研究相对较少。并且，由于tin涂层中ti原子与n原子比变化范围很窄，而n原子与ti原子比的变化范围则很宽，因此，如何拓宽ti原子与n原子比的变化范围，提升tin涂层的导电性能是研究者目前研究的重点。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供一种ti掺杂tin的导电涂层及其制备方法，其工艺简单，该涂层具有良好的耐磨耐腐蚀性能，在保证涂层良好的力学性能和机械性能的基础上，提高了涂层的导电性能，在产业化应用范围更广。
5.为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种ti掺杂tin的导电涂层，该涂层具有微纳米结构，且涂层中ti原子与n原子比值＞1。
7.本发明提供一种ti掺杂tin的导电涂层及其制备方法，其工艺简单，该涂层具有良好的耐磨耐腐蚀性能，在保证涂层良好的力学性能和机械性能的基础上，提高了涂层的导电性能，在产业化应用范围更广。
8.本发明还提供一种ti掺杂tin的导电涂层的制备方法，包括以下步骤：
9.通过调节ti原子的溅射量和调控ti原子的扩散、迁移速度协同作用来调控涂层中ti原子的掺杂量以能够使得涂层中ti原子与n原子的比值＞1，从而改变涂层中的载流子浓度并产生电导。
10.作为优选技术方案，通过调节磁控直流溅射的溅射功率来调节ti原子的溅射产量，调节磁控直流溅射的溅射功率为100～250w。
11.作为优选技术方案，通过调节衬底温度来调节ti原子的扩散和迁移速度，调节改变衬底温度为150～450℃。
12.作为优选技术方案，包括以下步骤：
13.s1对基体进行打磨抛光处理得到打磨抛光后的基体；
14.s2将打磨抛光后的基体浸入乙醇溶液中进行超声波激励，再浸入去离子水中进行超声波清洗得到超声清洗后的基体；
15.s3将超声清洗后的基体进行烘干处理得到烘干后的基体；
16.s4将烘干后的基体置于溅射室内，进行真空抽取；
17.s5当s4中溅射室内的真空气压≥8.0
×
10-4
pa后，通入氩气，对ti靶材进行预溅射，除去ti靶材表面附着的杂质；
18.s6当s5中的预溅射结束后，通入氮气进行反应直流磁控溅射，调节改变衬底温度，镀制ti掺杂tin的导电涂层，得到产品。
19.作为优选技术方案，步骤s2中乙醇溶液超声波激励时间为5～10min，去离子水超声波清洗时间为10～20min。
20.作为优选技术方案，步骤s3中烘干处理温度为50～80℃，烘干处理时间为60～100min。
21.作为优选技术方案，步骤s4中对溅射室内抽取真空时，先进行低真空的抽取，当溅射室内气压＜0.5pa以后，再进行高真空的抽取。
22.作为优选技术方案，步骤s5中通入氩气流量为30～80sccm，预溅射气压为0.2～0.8pa,预溅射功率为80～200w，预溅射时间为10～60min。
23.作为优选技术方案，步骤s6中通入氮气流量为2～15sccm，氮气沉积时间为30～60min，反应直流磁控溅射的ti靶溅射功率为100～250w，调节改变衬底温度为150～450℃。
24.本发明提供的ti掺杂tin导电耐腐蚀涂层及制备方法，具有以下有益效果：
25.1)该方法在磁控溅射镀制tin涂层过程中，采用调节溅射功率来调控ti的溅射产量，调节衬底温度来调控ti原子的扩散和迁移速度，从而使ti原子在tin晶体结构中的掺杂含量可控可调，拓宽ti原子与n原子的比值变化范围，制备出导电性能良好的tin耐腐蚀涂层；
26.2)与传统掺杂工艺相比，本发明提供的ti掺杂tin导电耐腐蚀涂层的制备方法的工艺简单，操作方便，只需协同调节多种溅射工艺即可达到掺杂目的，减少了传统掺杂制备时的复杂工艺，并且ti掺杂tin导电耐腐蚀涂层只含ti、n两种元素，涂层成分更纯净单一；
27.3)与未掺杂ti涂层相比，本发明提供的ti掺杂tin导电耐腐蚀涂层的电导率都有不同程度的提高，当调节溅射功率为150w和调节衬底温度为300℃时，ti原子与n原子的比值为1.10，拓宽ti原子与n原子的比值变化范围，本发明提供的ti掺杂tin导电耐腐蚀涂层的电导率与未掺杂ti涂层的电导率相比提高了3倍多，说明ti的掺杂显著改善了涂层的导电性能。
附图说明
28.图1为本发明制备的ti掺杂tin导电耐腐蚀涂层的xrd图；
29.图2为本发明制备的ti掺杂tin导电耐腐蚀涂层的sem图；
30.图3为本发明制备的ti掺杂tin导电耐腐蚀涂层中ti原子与n原子的比值曲线图；
31.图4为本发明制备的ti掺杂tin导电耐腐蚀涂层的电导率图。
具体实施方式
32.下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
33.能够理解，本发明是通过一些实施例达到本发明的目的。
34.本发明提供的ti掺杂tin的导电涂层的制备方法，包括以下步骤：
35.通过调节磁控直流溅射的溅射功率来调控ti原子的溅射产量和调节衬底温度来调控ti原子的扩散和迁移速度协同作用来调控涂层中ti原子的掺杂量以能够使得涂层中ti原子与n原子比值＞1，从而改变涂层中的载流子浓度并产生电导，调节磁控直流溅射的溅射功率为100～250w，调节改变衬底温度为150～450℃。
36.本发明提供的ti掺杂tin的导电涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
37.s1将基体分别用由粗到细的砂纸打磨，然后抛光处理得到打磨抛光后的基体；
38.s2将经步骤s1得到的打磨抛光后的基体浸入乙醇溶液中进行超声波激励5～10min，再浸入去离子水中进行超声波清洗10～20min得到超声清洗后的基体；
39.s3将经步骤s2得到的超声清洗后的基体表面用显微镜专用镜头纸擦拭干净，于50～80℃温度下在鼓风干燥箱中进行烘干60～100min得到烘干后的基体；
40.s4将经步骤3得到的烘干后的基体置于溅射室内磁控溅射仪的样品台上，在靶基座上装上纯度为99.999％ti靶，调整烘干后的基体与溅射ti靶之间的距离为50～70mm，ti靶垂直放置，进行直靶溅射，ti靶上不加偏压，关闭溅射室，确认各环节无误后，先打开机械泵和预抽阀，对溅射室内进行低真空的抽取，当溅射室内气压低于0.5pa以后，关闭预抽阀，依次打开前级阀，分子泵和插板阀，再对溅射室内进行高真空的抽取；
41.s5当s4中溅射室内的真空气压达到背景真空气压8.0
×
10-4
pa后，设置氩气流量为30～80sccm，预溅射气压为0.2～0.8pa,预溅射功率为80～200w，打开基体挡板，基体挡板用于保护基体材料免受预溅射原子的污染，打开氩气阀门通入氩气，然后打开ti靶直流电源，对ti靶材进行预溅射10～60min；
42.s6当s5中的预溅射结束后，设置氮气流量为2～15sccm，氮气沉积时间为30～60min，ti靶溅射功率为100～250w，关闭基体挡板，打开氮气阀门通入氮气，打开ti靶直流电源，在调节改变衬底温度为150～450℃下镀制掺杂tin涂层，得到产品。
43.本发明还提供的ti掺杂tin的导电涂层，根据上述ti掺杂tin的导电涂层的制备方法制备得到，该涂层具有微纳米结构，且涂层中ti原子与n原子比值＞1。
44.本发明提供的ti掺杂tin的导电涂层及其制备方法，该工艺方法在磁控溅射镀制tin涂层过程中，采用调节溅射功率来调控ti的溅射产量，调节改变衬底温度来调控ti原子的扩散和迁移速度，从而使ti原子在tin晶体结构中的掺杂含量可调控，拓宽ti原子与n原子比的变化范围，制备出导电性能良好的ti掺杂tin涂层。
45.实施例1
46.本实施例提供的ti掺杂tin的导电涂层的制备方法，包括以下步骤：
47.通过调节磁控直流溅射的溅射功率来调控ti原子的溅射产量和调节衬底温度来调控ti原子的扩散和迁移速度协同作用来调控涂层中ti原子的掺杂量以能够使得涂层中ti原子与n原子比值＞1，从而改变涂层中的载流子浓度并产生电导，调节磁控直流溅射的溅射功率为100w，调节改变衬底温度为200℃。
48.本实施例提供的ti掺杂tin的导电涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
49.s1将尺寸为10.0
×
10.0
×
1.0mm的基体，分别用由粗到细的砂纸打磨，然后抛光处理得到打磨抛光后的基体；
50.s2将经步骤s1得到的打磨抛光后的基体浸入乙醇溶液中进行超声波激励5min，再浸入去离子水中进行超声波清洗10min得到超声清洗后的基体；
51.s3将经步骤s2得到的超声清洗后的基体表面用显微镜专用镜头纸擦拭干净，于50℃温度下在鼓风干燥箱中进行烘干100min得到烘干后的基体；
52.s4将经步骤3得到的烘干后的基体置于溅射室内的磁控溅射仪样品台上，在靶基座上装上纯度为99.999％ti靶，调整基体与溅射ti靶之间的距离为50mm，ti靶垂直放置，进行直靶溅射，ti靶上不加偏压，关闭溅射室，确认各环节无误后，先打开机械泵和预抽阀，对溅射室内进行低真空的抽取，当溅射室内气压低于0.5pa以后，关闭预抽阀，依次打开前级阀，分子泵和插板阀，再对溅射室内进行高真空的抽取；
53.s5当s4中溅射室内的真空气压达到背景真空气压8.0
×
10-4
pa后，设置氩气流量为30sccm，预溅射气压为0.2pa,预溅射功率为80w，打开基体挡板，打开氩气阀门通入氩气，打开ti靶直流电源，对ti靶材进行预溅射60min；
54.s6当s5中的预溅射结束后，设置氮气流量为2sccm，氮气沉积时间为60min，ti靶溅射功率为100w，关闭基体挡板，打开氮气阀门通入氮气，打开ti靶直流电源，在调节改变衬底温度为200℃下镀制掺杂tin涂层，得到产品。
55.本实施例还提供的ti掺杂tin的导电涂层，根据上述ti掺杂tin的导电涂层的制备方法制备得到，该涂层具有微纳米结构，且涂层中ti原子与n原子比值为1.027＞1。
56.本实施例提供的ti掺杂tin的导电涂层及其制备方法，该工艺方法在磁控溅射镀制tin涂层过程中，采用调节溅射功率来调控ti的溅射产量，调节衬底温度来调控ti原子的扩散和迁移速度，从而使ti原子在tin晶体结构中的掺杂含量可调控，拓宽ti原子与n原子比的变化范围，制备出导电性能良好的ti掺杂tin涂层。
57.实施例2
58.本实施例提供的ti掺杂tin的导电涂层的制备方法，包括以下步骤：
59.通过调节磁控直流溅射的溅射功率来调控ti原子的溅射产量和调节衬底温度来调控ti原子的扩散和迁移速度协同作用来调控涂层中ti原子的掺杂量以能够使得涂层中ti原子与n原子比值＞1，从而改变涂层中的载流子浓度并产生电导，调节磁控直流溅射的溅射功率为250w，调节改变衬底温度为150℃。
60.本实施例提供的ti掺杂tin的导电涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
61.s1将尺寸为10.0
×
10.0
×
1.0mm的基体，分别用由粗到细的砂纸打磨，然后抛光处理得到打磨抛光后的基体；
62.s2将经步骤s1得到的打磨抛光后的基体浸入乙醇溶液中进行超声波激励10min，再浸入去离子水中进行超声波清洗20min得到超声清洗后的基体；
63.s3将经步骤s2得到的超声清洗后的基体表面用显微镜专用镜头纸擦拭干净，于80℃温度下在鼓风干燥箱中进行烘干60min得到烘干后的基体；
64.s4将经步骤3得到的烘干后的基体置于溅射室内的磁控溅射仪样品台上，在靶基座上装上纯度为99.999％ti靶，调整基体与溅射ti靶之间的距离为70mm，ti靶垂直放置，进行直靶溅射，ti靶上不加偏压，关闭溅射室，确认各环节无误后，先打开机械泵和预抽阀，对
溅射室内进行低真空的抽取，当溅射室内气压低于0.5pa以后，关闭预抽阀，依次打开前级阀，分子泵和插板阀，再对溅射室内进行高真空的抽取；
65.s5当s4中溅射室内的真空气压达到背景真空气压8.0
×
10-4
pa后，设置氩气流量为80sccm，预溅射气压为0.8pa,预溅射功率为200w，打开基体挡板，打开氩气阀门通入氩气，打开ti靶直流电源，对ti靶材进行预溅射10min；
66.s6当s5中的预溅射结束后，设置氮气流量为15sccm，氮气沉积时间为30min，ti靶溅射功率为250w，关闭基体挡板，打开氮气阀门通入氮气，打开ti靶直流电源，在调节改变衬底温度为150℃下镀制掺杂tin涂层，得到产品。
67.本实施例还提供的ti掺杂tin的导电涂层，根据上述ti掺杂tin的导电涂层的制备方法制备得到，该涂层具有微纳米结构，且涂层中ti原子与n原子比值为1.07＞1。
68.本实施例提供的ti掺杂tin的导电涂层及其制备方法，该工艺方法在磁控溅射镀制tin涂层过程中，采用调节溅射功率来调控ti的溅射产量，调节衬底温度来调控ti原子的扩散和迁移速度，从而使ti原子在tin晶体结构中的掺杂含量可调控，拓宽ti原子与n原子比的变化范围，制备出导电性能良好的ti掺杂tin涂层。
69.实施例3
70.本实施例提供的ti掺杂tin的导电涂层的制备方法，包括以下步骤：
71.通过调节磁控直流溅射的溅射功率来调控ti原子的溅射产量和调节衬底温度来调控ti原子的扩散和迁移速度协同作用来调控涂层中ti原子的掺杂量以能够使得涂层中ti原子与n原子比值＞1，从而改变涂层中的载流子浓度并产生电导，调节磁控直流溅射的溅射功率为150w，调节改变衬底温度为300℃。
72.本实施例提供的ti掺杂tin的导电涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
73.s1将尺寸为10.0
×
10.0
×
1.0mm的基体，分别用由粗到细的砂纸打磨，然后抛光处理得到打磨抛光后的基体；
74.s2将经步骤s1得到的打磨抛光后的基体浸入乙醇溶液中进行超声波激励6min，再浸入去离子水中进行超声波清洗12min得到超声清洗后的基体；
75.s3将经步骤s2得到的超声清洗后的基体表面用显微镜专用镜头纸擦拭干净，于60℃温度下在鼓风干燥箱中进行烘干70min得到烘干后的基体；
76.s4将经步骤3得到的烘干后的基体置于溅射室内的磁控溅射仪样品台上，在靶基座上装上纯度为99.999％ti靶，调整基体与溅射ti靶之间的距离为65mm，ti靶垂直放置，进行直靶溅射，ti靶上不加偏压，关闭溅射室，确认各环节无误后，先打开机械泵和预抽阀，对溅射室内进行低真空的抽取，当溅射室内气压低于0.5pa以后，关闭预抽阀，依次打开前级阀，分子泵和插板阀，再对溅射室内进行高真空的抽取；
77.s5当s4中溅射室内的真空气压达到背景真空气压8.0
×
10-4
pa后，设置氩气流量为50sccm，预溅射气压为0.4pa,预溅射功率为80w，打开基体挡板，打开氩气阀门通入氩气，打开ti靶直流电源，对ti靶材进行预溅射20min；
78.s6当s5中的预溅射结束后，设置氮气流量为7sccm，氮气沉积时间为60min，ti靶溅射功率为150w，关闭基体挡板，打开氮气阀门通入氮气，打开ti靶直流电源，在调节改变衬底温度为300℃下镀制掺杂tin涂层，得到产品。
79.本实施例还提供的ti掺杂tin的导电涂层，根据上述ti掺杂tin的导电涂层的制备
方法制备得到，该涂层具有微纳米结构，且涂层中ti原子与n原子比值为1.1＞1。
80.本实施例提供的ti掺杂tin的导电涂层及其制备方法，该工艺方法在磁控溅射镀制tin涂层过程中，采用调节溅射功率来调控ti的溅射产量，调节衬底温度来调控ti原子的扩散和迁移速度，从而使ti原子在tin晶体结构中的掺杂含量可调控，拓宽ti原子与n原子比的变化范围，制备出导电性能良好的ti掺杂tin涂层。
81.实施例4
82.本实施例提供的ti掺杂tin的导电涂层的制备方法，包括以下步骤：
83.通过调节磁控直流溅射的溅射功率来调控ti原子的溅射产量和调节衬底温度来调控ti原子的扩散和迁移速度协同作用来调控涂层中ti原子的掺杂量以能够使得涂层中ti原子与n原子比值＞1，从而改变涂层中的载流子浓度并产生电导，调节磁控直流溅射的溅射功率为150w，调节改变衬底温度为400℃。
84.本实施例提供的ti掺杂tin的导电涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
85.s1将尺寸为10.0
×
10.0
×
1.0mm的基体，分别用由粗到细的砂纸打磨，然后抛光处理得到打磨抛光后的基体；
86.s2将经步骤s1得到的打磨抛光后的基体浸入乙醇溶液中进行超声波激励6min，再浸入去离子水中进行超声波清洗12min得到超声清洗后的基体；
87.s3将经步骤s2得到的超声清洗后的基体表面用显微镜专用镜头纸擦拭干净，于60℃温度下在鼓风干燥箱中进行烘干70min得到烘干后的基体；
88.s4将经步骤3得到的烘干后的基体置于溅射室内的磁控溅射仪样品台上，在靶基座上装上纯度为99.999％ti靶，调整基体与溅射ti靶之间的距离为65mm，ti靶垂直放置，进行直靶溅射，ti靶上不加偏压，关闭溅射室，确认各环节无误后，先打开机械泵和预抽阀，对溅射室内进行低真空的抽取，当溅射室内气压低于0.5pa以后，关闭预抽阀，依次打开前级阀，分子泵和插板阀，再对溅射室内进行高真空的抽取；
89.s5当s4中溅射室内的真空气压达到背景真空气压8.0
×
10-4
pa后，设置氩气流量为50sccm，预溅射气压为0.4pa,预溅射功率为80w，打开基体挡板，打开氩气阀门通入氩气，打开ti靶直流电源，对ti靶材进行预溅射20min；
90.s6当s5中的预溅射结束后，设置氮气流量为7sccm，氮气沉积时间为60min，ti靶溅射功率为150w，关闭基体挡板，打开氮气阀门通入氮气，打开ti靶直流电源，在调节改变衬底温度为400℃下镀制掺杂tin涂层，得到产品。
91.本实施例还提供的ti掺杂tin的导电涂层，根据上述ti掺杂tin的导电涂层的制备方法制备得到，该涂层具有微纳米结构，且涂层中ti原子与n原子比值为1.035＞1。
92.本实施例提供的ti掺杂tin的导电涂层及其制备方法，该工艺方法在磁控溅射镀制tin涂层过程中，采用调节溅射功率来调控ti的溅射产量，调节衬底温度来调控ti原子的扩散和迁移速度，从而使ti原子在tin晶体结构中的掺杂含量可调控，拓宽ti原子与n原子比的变化范围，制备出导电性能良好的ti掺杂tin涂层。
93.如图1所示，本发明制备的ti掺杂tin导电涂层的xrd图，从图中我们观察到，实施例3制备的ti掺杂tin与未掺杂tin的相比，实施例3制备的ti掺杂tin的峰位整体向小角度方向偏移，说明tin晶格常数增大，晶体发生了膨胀，这是由ti的掺杂引起的，说明本发明制备的tin导电涂层中的ti原子成功的掺杂到tin晶格中。
94.如图2所示，本发明制备的ti掺杂tin导电涂层的sem图，从图中我们观察到，实施例3制备的ti掺杂tin导电涂层的tin晶粒饱满，晶界清晰，晶粒大小均匀，晶粒间致密且基本无空隙，这样提高了该涂层的机械性能和化学性能。
95.如图3所示，本发明制备的ti掺杂tin导电耐腐蚀涂层中ti原子与n原子的比值曲线图，从图中我们观察到，本发明制备的ti掺杂tin与未掺杂tin的相比，实施例1-4制备的ti掺杂tin的ti原子与n原子的比值均大于1，说明通过调节溅射功率和调节衬底温度的协同工艺使得涂层中ti原子过剩，过剩的ti原子作为掺杂原子进入晶体结构的间隙位置。
96.如图4所示，本发明制备的ti掺杂tin导电涂层的电导率图，从图中我们观察到，实施例3制备的ti掺杂tin与未掺杂tin的相比，实施例3制备的ti掺杂tin在溅射功率调节为150w和衬底温度调节为300℃时，涂层的电导率提高了3倍多，导电性能大为改善，说明本发明制备的ti掺杂tin导电涂层，由于ti原子的掺杂，产生了自由电子，这些自由电子在电场的激发下可作为载流子产生电导，有利于涂层导电性能的提高。
97.tin是由离子键、共价键和金属键混合组成的一种宽禁带半导体材料，它的结构决定了除优异的力学和化学性能外，其物理性能还存在很大的发展潜力，本发明制备的ti掺杂tin的ti原子与n原子的比值均大于1，说明通过调节溅射功率和调节衬底温度的协同工艺使得涂层中ti原子过剩，过剩的ti原子作为掺杂原子进入晶体结构的间隙位置，随着组成涂层的元素变动，tin晶体结构中的空位或者间隙原子也会发生相应的变化，这些空位或者间隙原子会改变其能带的结构，也会在电离后引入导电电子，从而提高其导电性能。
98.能够理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，能够对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，能够对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，能够对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。