專利名稱：一種LaNi₅薄膜的制備方法及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種工程材料技術領域的制備方法，具體是一種LaNi5薄膜的制備方法及其在氫氣傳感器領域的應用。
背景技術：
在能源日益緊張、環(huán)保意識逐漸加強的現(xiàn)代社會，氫氣由于具有高燃燒效率和產(chǎn)物無污染等特點引起了人們的廣泛關注。氫氣在生產(chǎn)、儲存、運輸和使用的過程中容易泄漏，其著火點很低，極易燃燒，所以對氫氣的監(jiān)測顯得尤為重要。目前氫氣傳感器主要有半導體型、熱電型和光纖型。半導體型氫氣傳感器一般以金屬氧化物為敏感材料，其結構簡單，易集成，易實現(xiàn)器件的小型化，但存在選擇性不好，工作溫度較高的問題。熱電型氫氣傳感器雖然對氫氣具有較高的選擇性，且能耗低，易于集成，但輸出信號弱，一般需要在外圍采用放大電路，其靈敏度較低，工作溫度較高。光纖氫氣傳感器一般以Pd及其合金為敏感材料，雖解決了工作溫度的問題，但信號微弱，且Pd膜已脫層，出現(xiàn)氣泡，使用周期有限。要提高氫敏傳感器的工作性能，氫敏材料的敏感響應性、重現(xiàn)性起著決定性作用，目前對氫敏材料的研究工作主要存在的問題有對氫氣的選擇性和靈敏度還不夠高，氫敏材料及其相應傳感器的產(chǎn)業(yè)化不理想。LaNi5合金在常溫下具有良好的吸放氫特性，目前在儲氫領域已得到廣泛應用，其吸放氫的機制也得到了深入的研究，而將它作為氫敏材料在氫敏傳感器領域的應用還未展開。目前對于LaNi5合金的研究主要集中在粉體和塊材兩個方面，由于LaNi5合金的氣敏機理為表面電阻控制型，所以使用薄膜型敏感材料有益于提高傳感器的靈敏度，且LaNi5薄膜由于晶格受到襯底束縛，吸氫過程中晶格膨脹受限而克服了塊狀LaNi5多次吸/放氫后發(fā)生粉化的問題。通過調研，目前文獻中極少有關于LaNi5薄膜的報道，主要原因是難得到準確化學計量比的1^附5薄膜，因此研究薄膜型LaNi5合金的制備方法是非常必要的。1^附5薄膜的制備方法可以有多種，包括溶膠-凝膠法(sol-gel)、激光脈沖沉積(PLD)、化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)，其中磁控濺射法制備LaNi5薄膜與其它方法相比，克服了源物質不易得到、儀器價格昂貴、沉積速度慢、易引入雜質等不足之處，且與集成電路相兼容。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種制備LaNi5薄膜的方法，制得的薄膜致密度低，晶粒均勻，有利于吸/放氫，并可擇優(yōu)取向生長。該薄膜有利于在氫氣傳感器領域的應用。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是一、清洗 Si 片二、采用磁控射頻濺射法在Si襯底上沉積Ni膜，作為緩沖層。濺射條件如下1、純度99. 95%的Ni靶作為陰極靶；靶基距為4. 55cm ；2、本底真空低于5. 0*10_4以下；3、工作氣體為惰性氣體——Ar氣，工作氣壓0. 2Pa 0. 6Pa ；
4、沉積Ni之前需預濺射約IOmin 20min，使Ni靶表面清潔；沉積Ni時的功率為50W 80W，溫度為室溫；沉積時間為IOmin 20min，制得大約為450nm 900nm的Ni
膜作為緩沖層。三、制作鑭鎳扇形靶。1、將純度為99. 5%的Ni片剪成0 60cm的圓形2、按照一定的角度將圓形Ni片對稱的去掉四個相同的扇形，如附圖1。3、將制作的Ni片覆蓋在純度為99. 9%、0 60cm的La靶上作為陰極靶，進一步包括扇形角度的確定需通過多次實驗，然后測X射線熒光光譜(XRF)，最終得到 La Ni = 1 5。四、采用磁控射頻濺射法在Ni膜上沉積LaNi5薄膜，濺射條件如下1、鑭鎳扇形靶為陰極靶，靶基距為3. 5cm 5. 5cm ；2、本底真空低于5. 0*10_4以下；3、工作氣體為惰性氣體——Ar氣，工作氣壓0. 2Pa 0. 7Pa ；4、沉積LaNi5之前需預濺射約IOmin 20min，使靶表面清潔；5、在第一步制得的緩沖層上沉積LaNi5，功率120W 200W，溫度300°C 700°C，時間為15min 25min。制得的LaNi5薄膜為致密性低的多晶薄膜，厚度約為850nm 1. 1 μ m， 晶粒均勻，晶粒尺寸約為50nm。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1、鑭鎳扇形靶能精確地控制化學計量比。燒結LaNi5合金靶工藝復雜，La極易被氧化，難得到高純度的LaNi5合金靶，且多次使用后易碎。本發(fā)明的鑭鎳扇形靶制作簡單， 能精確控制化學計量比，可多次重復使用。2、以Ni為緩沖層。防止了 La與襯底Si反應。3、擇優(yōu)取向生長。通過調整濺射功率(在120W 200W內)，可得到不同擇優(yōu)取向生長的LaNi5薄膜。4、致密性較低，晶粒均勻。LaNi5薄膜致密性低、晶粒均勻有利于吸/放氫。5、克服粉化問題。制備的LaNi5薄膜應用于氫氣傳感器克服了多次吸放氫后粉化的問題。6、具有高的響應能力。制備的LaNi5對比于其他的氫敏材料有更強的吸氫能力， 提高了氫氣傳感器的靈敏度。


圖1為鑭鎳扇形靶的示意圖。圖2為LaNi5薄膜的表面形貌。從SEM圖片可看到薄膜表面晶粒均勻，致密度低， 有利于提高氣敏性能。圖3為LaNi5薄膜的斷面結構。圖4為不同的濺射功率制備的LaNi5薄膜的X射線衍射圖(XRD)，從圖可知，不同的濺射功率下制備的LaNi5薄膜有不同的擇優(yōu)取向。圖5為經(jīng)過表面處理后的LaNi5薄膜的氫敏性能。
具體實施例方式實施例一采用磁控射頻濺射法，具體操作如下一、清洗 Si 片二、采用磁控射頻濺射法在Si襯底上沉積Ni膜，作為緩沖層。濺射條件如下1、純度99. 95%的Ni靶作為陰極靶；靶基距為4. 55cm ；2、本底真空低于5. 0*10_4以下；3、工作氣體為惰性氣體——Ar氣，工作氣壓0. 5Pa ；4、沉積Ni之前需預濺射約15min，使Ni靶表面清潔；沉積Ni時的功率為80W，溫度為室溫；沉積時間為lOmin，制得大約為450nm的Ni膜作為緩沖層。三、制作鑭鎳扇形靶。1、將純度為99. 5%的Ni片剪成0 60cm的圓形。2、按照一定的角度將圓形Ni片對稱的去掉四個43°的扇形，如附圖1所示。3、將上面制作的Ni片覆蓋在純度為99. 9%,0 60cm的La靶上，作為鑭鎳扇形靶。四、采用磁控射頻濺射法在Ni膜上沉積LaNi5薄膜，兩組不同的濺射條件如下以鑭鎳扇形靶為陰極靶，本底真空低于5. 0*10_4以下。
權利要求
1.一種LaNi5薄膜的制備方法，其特點在于，步驟是首先在Si襯底上制備一層M膜， 作為緩沖層；然后在緩沖層M膜上用磁控射頻濺射法制備LaNi5薄膜。
2.按權利要求1所述的一種LaNi5薄膜的制備方法，其特點在于所述的襯底是 Si (100)，Ni (011)膜作為緩沖層，且Ni膜厚度為450nm。
3.按權利要求1所述的一種LaNi5薄膜的制備方法，其特征在于沉積LaNi5薄膜的靶是以純度為99. 9%的La靶與純度為99. 95%的扇形Ni片組成的扇形靶。
4.按權利要求1所述的一種LaNi5薄膜的制備方法，其特征在于沉積功率120W-200W， 沉積溫度350°C -500°C，靶基距3. 5cm,沉積氣壓0. 6Pa,沉積時間為20min，制得的LaNi5薄膜厚度大約為1 μ m。
5.按權利要求1所述的一種LaNi5薄膜的制備方法，其特征在于通過調整沉積功率(在 120W-200W內)可實現(xiàn)LaNi5薄膜的擇優(yōu)生長。功率為150W時沿(111)取向擇優(yōu)生長，功率為200W時沿(101)取向擇優(yōu)生長。
6.一種氫敏材料LaNi5薄膜的應用，其特點在于將以上任一方法制備的LaNi5薄膜經(jīng)表面處理后應用于氫敏傳感器元件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種LaNi5薄膜的制備方法及其在氫敏傳感器方面的應用。該方法是先在Si襯底上，制作一層Ni膜為緩沖層，然后通過磁控射頻濺射方法在Ni膜上沉積LaNi5薄膜。所述沉積LaNi5的靶材是La靶與扇形Ni片組成的扇形靶，濺射條件是功率120W-200W，溫度350℃-500℃，靶基距3.5cm，氣壓0.6Pa，時間20min。所制備的LaNi5薄膜是多晶薄膜，表面致密度低，比表面積大，晶粒均勻，適合用作氣敏元件。此外，LaNi5有很強的吸氫能力，有利于提高氫敏傳感器的響應能力，因此該方法制備的LaNi5薄膜在氫敏傳感器方面有較好的應用前景。
文檔編號C23C14/35GK102220560SQ201010152950
公開日2011年10月19日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權日2010年4月16日
發(fā)明者劉俊峰, 劉華容, 謝鯤, 陳侃松, 顧豪爽 申請人:湖北大學