鋁薄膜的制備及其性能研究

摘 要：采用直流磁控濺射法沉積鋁薄膜，利用掃描電子顯微鏡（SEM）、四探針電阻測試儀和紅外發(fā)射率測試儀對其形貌和性能進行表征，研究濺射功率（70、90、110、130 W）對鋁薄膜的沉積速率、表面形貌、電學(xué)性能和紅外發(fā)射率的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨濺射功率的增大，鋁薄膜的沉積速率逐漸增大，表面晶粒尺寸逐漸增大；鋁薄膜的電阻率先降低后升高，其紅外發(fā)射率呈現(xiàn)相同趨勢。當(dāng)濺射功率為110 W時，鋁薄膜的紅外發(fā)射率最低（＜0.12）。

關(guān)鍵詞：磁控濺射；鋁薄膜；濺射功率；紅外發(fā)射率；電學(xué)性能

中圖分類號：TG174.44 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0090-04

Abstract： Al films were depositedusing direct current magnetron sputtering. The structure and properties of the films were characterized byscanning electron microscopy （SEM）， four probe resistance tester and infrared emissivity tester. Effects of sputtering power （70， 90， 110 and 130 W） on deposition rate， surface morphology， electrical properties and infrared emissivity of Al films were studied. The results showed that， with the sputtering power increasing， the deposition rate and surface grain size of Al films went up gradually. The resistivity of Alfilm decreased firstly and then increased， and the infrared emissivity showed the same trend. When the sputtering power is 110 W， the infrared emissivity of aluminum film is the lowest （<0.12）.

Keywords： magnetron sputtering; Al film; sputtering power; infrared emissivity; electrical property

隨著紅外探測技術(shù)的快速發(fā)展，紅外隱身技術(shù)對于有效提高軍事目標(biāo)的反偵測性能變得越來越重要[1-4]。紅外隱身技術(shù)最有效的方法是使用紅外隱身材料。紅外隱身材料具有低發(fā)射率的特點，可有效改變物體的紅外輻射特性，從而實現(xiàn)紅外隱身[5-6]。因此，紅外隱身材料的開發(fā)和應(yīng)用也日益受到重視。目前，通常采用低發(fā)射率材料以降低物體的紅外發(fā)射率，使其輻射能降低，從而達(dá)到紅外隱身的效果，主要分為涂層和薄膜兩類材料[7-9]。其中涂層在實際使用過程中易脫落，且會使裝備增重，降低武器的攻擊效能，而低發(fā)射率薄膜因其質(zhì)量輕、體積小、易裝配在武器裝備上而受到越來越多的關(guān)注[10-12]。

鋁作為應(yīng)用最廣泛的金屬材料，具有巨大的應(yīng)用潛力，其具有良好的耐腐蝕性和導(dǎo)電性，且在紅外光區(qū)的反射性高[13-16]。根據(jù)熱發(fā)射定律，材料在紅外光區(qū)的反射率越高，其紅外發(fā)射率就越低。因此，鋁薄膜還具備發(fā)射率低、質(zhì)量輕、厚度小等優(yōu)良特點，具有作為紅外隱身薄膜的潛質(zhì)[17-18]。本文通過磁控濺射工藝制備了鋁薄膜，并研究了濺射功率對鋁薄膜導(dǎo)電性能及紅外性能的影響，為鋁薄膜在低發(fā)射率材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供了實驗依據(jù)。

1 實驗

1.1 磁控濺射沉積鋁薄膜

采用JGP-450型磁控濺射儀沉積制備鋁薄膜，所用靶材為純度99.995%的金屬鋁靶材，直徑為Φ60 mm，厚度為5 mm；濺射氣體為采用純度99.99%的氬氣；基底材料為25 mm×25 mm×2.5 mm的載玻片。背底真空度為6×10-4 Pa，濺射氣壓0.6 Pa，通入Ar氣的流量為50 sccm，靶基距為65 mm，濺射時間為1 000 s，在不同濺射功率（70、90、110、130 W）下沉積鋁薄膜。

1.2 樣品的結(jié)構(gòu)及性能表征

采用Quanta-450-FEG場發(fā)射掃描電子顯微鏡表征了鋁薄膜的表面顯微形貌及厚度；采用FT-340系列四探針方阻測試儀測量了薄膜的方塊電阻，采用IR-2雙波段紅外發(fā)射率測試儀測量了鋁薄膜在3～5 μm和8～14 μm的紅外發(fā)射率。

2 結(jié)果與討論

2.1 濺射功率對鋁薄膜沉積速率的影響

圖1為鋁薄膜沉積速率隨濺射功率變化的趨勢圖。如圖1所示，隨著濺射功率的增加，鋁薄膜的沉積速率呈上升趨勢。在濺射鍍膜時，薄膜的沉積速率和粒子從陰極逸出的速率成正比，它們之間的關(guān)系可以用下式表示[19]

？淄=KSJ ， （1）

式中：？淄為薄膜的沉積速率；K為濺射裝置特性常數(shù)；S為濺射系數(shù)；J為離子流密度。

對于同一個濺射裝置，其濺射裝置特性常數(shù)K是恒定不變的。增大濺射功率，自偏壓和離子流密度J都會增大。濺射離子的能量隨著自偏壓的升高會增加，濺射系數(shù)S增大。沉積速率v與入射的濺射系數(shù)S和離子流密度J乘積成正比，因此增大濺射功率，離子流密度J和濺射系數(shù)S均會增大，從靶材上濺射出更多的鋁原子沉積生成薄膜，導(dǎo)致沉積速率增加[20]。由于提高了濺射功率，使得腔室內(nèi)濺射出的粒子能量增加，沉積到基底材料表面上擴散能力提高，進而也會影響到薄膜的表面形貌。

圖1 鋁薄膜的沉積速率隨濺射功率變化趨勢圖

2.2 濺射功率對鋁薄膜表面形貌的影響

圖2為在不同濺射功率下制備的鋁薄膜表面形貌圖。如圖2所示，磁控濺射沉積的鋁薄膜表面由均勻、細(xì)小的等軸狀晶粒組成。當(dāng)濺射功率從70 W增大至90 W時，表面晶粒的尺寸明顯增大。當(dāng)濺射功率較低時，濺射原子從靶材逸出時，獲得的能量較低，沉積到基底上的原子沒有足夠的能量遷移擴散進行長大，與此同時，靶材濺射出來的原子數(shù)量也少，則沉積到基片上的原子數(shù)量很少，因此在較低的濺射功率下，薄膜表面的晶粒尺寸較小；隨著濺射功率的增大，從鋁靶表面濺射出來的鋁原子獲得的能量較高，濺射出來的原子的數(shù)量也增多，其到達(dá)基底后仍具有一定的能量進行生長，因此鋁薄膜的晶粒尺寸逐漸增大。當(dāng)濺射功率增大到130 W時，被濺射出的鋁原子的能量較大，當(dāng)鋁原子沉積到基底時，會對基底已經(jīng)形成的鋁薄膜表面產(chǎn)生轟擊作用，對重排好的鋁薄膜產(chǎn)生破壞作用，從而使薄膜的結(jié)晶度降低，晶體缺陷增加，晶粒間的空隙增大，薄膜表面的均勻度降低。

2.3 濺射功率對鋁薄膜電學(xué)性能的影響

圖3為在不同濺射功率下制備的鋁薄膜的電阻率變化趨勢，其中鋁薄膜的電阻率可由式（2）[21]計算得到

ρ=d×R□ ， （2）

式中：ρ為薄膜的電阻率；d為薄膜的厚度；R□為薄膜的方塊電阻。

由圖3可知，當(dāng)濺射功率較低時，鋁薄膜的電阻率較高。隨著濺射功率由70 W增加到90 W，鋁薄膜的電阻率值呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。當(dāng)濺射功率為110 W時，鋁薄膜的電阻率最低，數(shù)值為0.11 Ω·μm。當(dāng)濺射功率為130 W時，鋁薄膜的電阻率升高為0.19 Ω·μm。較低功率下時，鋁薄膜的結(jié)晶程度較差，薄膜中的晶體缺陷多，導(dǎo)致電子在運輸過程中與之碰撞的概率增加，導(dǎo)致其電子在電場方向傳輸速度降低，薄膜電阻率升高。隨著濺射功率的增加，濺射出來的鋁原子的能量較大，利于鋁原子在薄膜表面的進一步擴散，促使薄膜的結(jié)晶度變好、晶粒大小均勻性增加、晶體缺陷減少，薄膜的表面更加平整，從而使鋁薄膜的電阻率下降。當(dāng)濺射功率進一步增加到130 W時，濺射出來的鋁原子的能量增大，沉積速率增加，鋁原子對薄膜表面的轟擊作用和反濺射能力增強，對已經(jīng)沉積好的薄膜產(chǎn)生破壞作用，導(dǎo)致薄膜粗糙度增加，電阻率增加。

2.4 濺射功率對鋁薄膜紅外發(fā)射率的影響

圖4為不同濺射功率下鋁薄膜紅外發(fā)射率的變化趨勢圖。如圖4所示，在3～5 μm和8～14 μm波長范圍內(nèi)，鋁薄膜的紅外發(fā)射率變化趨勢基本一致，都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)濺射功率為110 W時，鋁薄膜在3～5 μm和8～14 μm波長范圍內(nèi)的紅外發(fā)射率最低，數(shù)值都小于0.12。根據(jù)哈根-魯賓斯關(guān)系[22]

式中：ε為薄膜的紅外發(fā)射率；ε0為真空中電子的介電常數(shù)；ρ為薄膜的電阻率；c0為光速；λ為紅外輻射的波長。

由公式（3）可知，當(dāng)其他因素固定不變時，薄膜的紅外發(fā)射率隨著電阻率的增加而增加，隨電阻率的減小而減小。因此，鋁薄膜的紅外發(fā)射率變化趨勢與圖3中的電阻率變化趨勢一致。

3 結(jié)論

通過直流磁控濺射方法在玻璃基底上沉積了鋁薄膜，當(dāng)濺射功率從70 W升高至130 W時，鋁薄膜的沉積速率逐漸增大，表面晶粒尺寸逐漸增大；鋁薄膜的電阻率先降低后升高；鋁薄膜的紅外發(fā)射率變化趨勢同電阻率變化趨勢一致。當(dāng)濺射功率為110 W時，鋁薄膜在3～5 μm和8～14 μm波長范圍內(nèi)的紅外發(fā)射率最低，數(shù)值均小于0.12，表明鋁薄膜具有作為紅外隱身薄膜的應(yīng)用潛質(zhì)。

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