一種制備柔性熱敏薄膜材料的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種制備柔性熱敏薄膜的方法，該方法以MnCO3、Co2O3、Ni2O3粉末為原料經(jīng)研磨、過(guò)篩、合成、細(xì)磨、預(yù)壓成型、在富氧氛圍下燒結(jié)成陶瓷靶材，然后以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亞胺薄片為襯底片，采用射頻磁控濺射方法室溫下濺射沉積MCNO薄膜。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于：1.在室溫下完成濺射沉積，實(shí)現(xiàn)在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亞胺等有機(jī)柔性襯底上沉積MCNO熱敏薄膜。2.該方法制備的MCNO薄膜電阻率低，而負(fù)溫度電阻系數(shù)高，有利提高器件的響應(yīng)率和降低器件噪聲。3.常溫下制備，無(wú)需高溫?zé)崽幚?，耗能低、?jié)能環(huán)保。4.濺射沉積溫度低，易于與Si基半導(dǎo)體工藝兼容，可以實(shí)現(xiàn)在Si基讀出電路芯片上直接制備熱敏元件，大大降低制作熱敏型非制冷紅外焦平面陣列成本。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種制備柔性熱敏薄膜材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于熱敏紅外探測(cè)薄膜材料制備方法領(lǐng)域，具體涉及到降低薄膜沉積溫度、同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱敏材料的低電阻率和高負(fù)溫度電阻系數(shù)的技術(shù)，從而滿(mǎn)足在柔性襯底上沉積條件，實(shí)現(xiàn)柔性熱敏薄膜材料制備。
【背景技術(shù)】
[0002]錳鈷鎳氧(MCNO)是一種尖晶石結(jié)構(gòu)的負(fù)溫度電阻系數(shù)(NTC)熱敏材料，因其高的負(fù)溫度電阻系數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性、寬廣的使用溫區(qū)而被廣泛應(yīng)用于熱敏電阻器和微測(cè)熱輻射計(jì)中，其應(yīng)用領(lǐng)域包括溫度傳感、非制冷紅外探測(cè)、夜視、地平儀、地球輻射收支探測(cè)等領(lǐng)域。用它所制備的器件具有200ηπι-50μπι極寬闊的光響應(yīng)波段，靈敏度高、時(shí)間常數(shù)小、壽命長(zhǎng)和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]雖然目前有較多制備MCNO薄膜材料的方法，例如脈沖激光沉積、化學(xué)溶液法、屏幕印刷法等等，但這些方法通常需要600-1200 °C的高溫?zé)崽幚韥?lái)實(shí)現(xiàn)材料具有較高負(fù)溫度電阻系數(shù)的同時(shí)保持較低的電阻率。高溫?zé)崽幚砉に噰?yán)重制約了 MCNO薄膜材料的制備工藝與工業(yè)化的半導(dǎo)體工藝的兼容性，也阻礙了在有機(jī)柔性襯底上沉積MCNO材料制備柔性熱敏電阻元器件從而實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備的發(fā)展。
[0004]長(zhǎng)期以來(lái)人們認(rèn)為MCNO三元系材料具有一個(gè)最低電阻率值250Ω cm，本發(fā)明展示了一種常溫下制備低電阻率(110Qcm@295K)高負(fù)溫度系數(shù)(_3.1%@295K)MCN0薄膜材料的方法，直接在柔性有機(jī)襯底上沉積MCNO薄膜材料，實(shí)現(xiàn)柔性熱敏薄膜材料的高效制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明包括靶材制備工藝，襯底選擇，薄膜濺射沉積工藝，具體工藝方法如下:
[0006]I靶材制備
[0007]以純度高于99.5 %的MnCO3、Co2O3、附203粉末為原料，按原子比Mn: Co: Ni = 13:8:4充分混合，球磨混料8小時(shí)以上，烘干，過(guò)篩，裝入氧化鋁坩禍中合成，9000C，2小時(shí)。合成好的料加入瑪瑙球和水，經(jīng)24小時(shí)細(xì)磨，烘干。烘干后的粉料加入粘結(jié)劑，然后預(yù)壓成型。將胚體放入高溫爐中經(jīng)過(guò)1170 °C，8小時(shí)燒結(jié)，期間爐內(nèi)保持富氧氣氛(氧氣分壓0.06MPa)，機(jī)械打磨、清洗、烘干。
[0008]2襯底選擇
[0009]厚度為0.06-0.2mm的柔性襯底為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亞胺薄片。
[0010]3薄膜濺射沉積
[0011 ]采用射頻磁控濺射方法沉積MCNO熱敏薄膜。本底真空抽至3x10—7—8x10—8Torr之間，濺射時(shí)氣壓成分氬氧比20〈Ar:02〈200，濺射壓強(qiáng)3—lOmTorr。有機(jī)柔性襯底片(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亞胺)被置于樣品托盤(pán)中距離靶材約20cm處，樣品托盤(pán)自轉(zhuǎn)速率2—20轉(zhuǎn)/分鐘，襯底溫度為室溫。濺射功率50—120W。所沉積獲得的柔性襯底熱敏薄膜材料在室溫下(295K)其電阻率為100—200 Ω cm，負(fù)溫度電阻系數(shù)為-3.0—-4.0%。
[0012]本制備方法具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0013]1、在室溫下完成濺射沉積，實(shí)現(xiàn)在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亞胺等有機(jī)柔性襯底上沉積MCNO熱敏薄膜。
[0014]2、該方法制備的MCNO薄膜電阻率低，而負(fù)溫度電阻系數(shù)高，有利提高器件的響應(yīng)率和降低器件噪聲。
[0015]3、常溫下制備，無(wú)需高溫?zé)崽幚?，耗能低、?jié)能環(huán)保。
[0016]4、濺射沉積溫度低，易于與Si基半導(dǎo)體工藝兼容，可以實(shí)現(xiàn)在Si基讀出電路芯片上直接制備熱敏元件，大大降低制作熱敏型非制冷紅外焦平面陣列成本。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為柔性MCNO熱敏材料實(shí)物圖。
[0018]圖2為溫度-電阻率曲線。
[0019]圖3為溫度-負(fù)溫度電阻系數(shù)曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面提供通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得到的實(shí)施實(shí)例，并對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0021]實(shí)施例1:
[0022]按三種金屬原子比為Mn: Co: Ni = 13:8:4把純度高于99.5 %的MnCO3、Co203、Ni203粉末進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌希蚰セ炝?小時(shí)，過(guò)篩，裝入氧化鋁坩禍中合成，90(TC，2小時(shí)。合成好的料加入瑪瑙球和水，經(jīng)24小時(shí)細(xì)磨，烘干。烘干后的粉料加入粘結(jié)劑，然后預(yù)壓成型。將胚體放入高溫爐中經(jīng)過(guò)1170 °C，8小時(shí)燒結(jié)，期間爐內(nèi)保持富氧氣氛，氧氣分壓0.06MPa，機(jī)械打磨、清洗、烘干。把制備好的靶材裝入磁控濺射沉積設(shè)備，本底真空抽至2E-7T0rr，濺射時(shí)氣壓成分氬氧比4^02 = 50:1，濺射壓強(qiáng)3.71111'0^。有機(jī)柔性襯底片聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯被置于距離靶材20cm處。襯底自轉(zhuǎn)速率5轉(zhuǎn)/分鐘，襯底溫度為室溫(?293K)。濺射功率50W。濺射沉積時(shí)間120小時(shí)，熱敏薄膜材料厚度約9μπι。所沉積獲得的柔性熱敏薄膜材料在室溫下(295Κ)其電阻率為112.0 Ω cm，負(fù)溫度電阻系數(shù)為-3.1%。
[0023]實(shí)施例2:
[0024]按三種金屬原子比為Mn: Co: Ni = 13:8:4把純度高于99.5 %的MnCO3、Co2O3、Ni203粉末進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌?，球磨混?小時(shí)，過(guò)篩，裝入氧化鋁坩禍中合成，90(TC，2小時(shí)。合成好的料加入瑪瑙球和水，經(jīng)24小時(shí)細(xì)磨，烘干。烘干后的粉料加入粘結(jié)劑，然后預(yù)壓成型。將胚體放入高溫爐中經(jīng)過(guò)1170 °C，8小時(shí)燒結(jié)，期間爐內(nèi)保持富氧氣氛，氧氣分壓0.06MPa，機(jī)械打磨、清洗、烘干。把制備好的靶材裝入磁控濺射沉積設(shè)備，本底真空抽至2E-7T0rr，濺射時(shí)氣壓成分氬氧比4^02 = 50:1，濺射壓強(qiáng)3.71111'0^。有機(jī)柔性襯底片聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯被置于距離靶材20cm處。襯底自轉(zhuǎn)速率5轉(zhuǎn)/分鐘，襯底溫度為室溫(?293K)。濺射功率80W。濺射沉積時(shí)間72小時(shí)，熱敏薄膜材料厚度約9μπι。所沉積獲得的柔性熱敏薄膜材料在室溫下(295Κ)其電阻率為152.0 Ω cm，負(fù)溫度電阻系數(shù)為-3.4%。
[0025]實(shí)施例3:
[0026]按三種金屬原子比為Mn: Co: Ni = 13:8:4把純度高于99.5 %的MnCO3、Co2O3、Ni203粉末進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌?，球磨混?小時(shí)，過(guò)篩，裝入氧化鋁坩禍中合成，90(TC，2小時(shí)。合成好的料加入瑪瑙球和水，經(jīng)24小時(shí)細(xì)磨，烘干。烘干后的粉料加入粘結(jié)劑，然后預(yù)壓成型。將胚體放入高溫爐中經(jīng)過(guò)1170 °C，8小時(shí)燒結(jié)，期間爐內(nèi)保持富氧氣氛，氧氣分壓0.06MPa，機(jī)械打磨、清洗、烘干。把制備好的靶材裝入磁控濺射沉積設(shè)備，本底真空抽至2E-7T0rr，濺射時(shí)氣壓成分氬氧比4^02 = 50:1，濺射壓強(qiáng)101111'0^。有機(jī)柔性襯底片聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯被置于距離靶材20cm處。襯底自轉(zhuǎn)速率5轉(zhuǎn)/分鐘，襯底溫度為室溫(?293K)。濺射功率50W。濺射沉積時(shí)間80小時(shí)，熱敏薄膜材料厚度約9μπι。所沉積獲得的柔性熱敏薄膜材料在室溫下(295Κ)其電阻率為121.0 Ω cm，負(fù)溫度電阻系數(shù)為-3.3%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種制備柔性熱敏薄膜的方法，其特征在于包括以下步驟: (1)靶材制作: ①以純度高于99.5%的此0)3、(:0203、附203粉末為原料，按此、(:0、附三種元素的原子數(shù)比為13:8:4進(jìn)行配比，混合球磨混料8小時(shí)以上，烘干，過(guò)篩； ②裝入氧化鋁坩禍中合成，9000C，2小時(shí)； ③合成好的料加入瑪瑙球和水，經(jīng)24小時(shí)細(xì)磨，烘干； ④烘干后的粉料加入粘結(jié)劑，然后預(yù)壓成型；⑤將胚體放入高溫爐中經(jīng)過(guò)1170°C，8小時(shí)燒結(jié)，期間爐內(nèi)保持富氧氣氛，氧氣分壓,0.06MPa； ⑥機(jī)械打磨、清洗、烘干； (2)襯底選擇: 襯底選用厚度為0.06—0.2mm的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亞胺薄片。 (3)薄膜濺射沉積工藝: ①本底真空:3xl0—7—8x10—8Torr； ②派射氣壓3—1mTorr，派射氣氛氧氬比在I: 200—1: 20區(qū)間； ③襯底溫度:20—40°C; ④濺射功率:50—120W; ⑤襯底托盤(pán)自轉(zhuǎn)速率2—20轉(zhuǎn)/分鐘； ⑥連續(xù)沉積至膜厚9μπι。
【文檔編號(hào)】C23C14/28GK106048527SQ201610405808
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月12日
【發(fā)明人】吳敬, 黃志明, 周煒, 江林, 歐陽(yáng)程, 高艷卿, 張飛, 褚君浩
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所