一种金属氮化物膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及氧气传感器技术领域，提供一种金属氮化物膜的制备方法，用于替代现有的贵金属催化剂，降低成本；本发明专利技术提供一种金属氮化物膜的制备方法，包括基材前处理；将基材放置于工作腔体内，抽真空；对工作腔体进行加热，同时旋转基材；向工作腔体内通入氩气和氮气的混合气氛；在基材上先通过直流电源溅射核心靶材，再通过射频电源溅射掺杂靶材形成金属氮化物膜；所述核心靶材与掺杂靶材均选自锆、钛、钒、钽、钼中的一种或多种，且核心靶材与掺杂靶材所选的金属不同；本发明专利技术制备的金属氮化物膜，均一性好，适用于工业量产；且本发明专利技术制备的金属氮化物膜用于氧气传感器中作为电极材料使用时，具有较好的响应速度、线性度、一致性和稳定性。稳定性。稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种金属氮化物膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及氧气传感器
，更具体地，涉及一种金属氮化物膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前氧气传感器主要以电化学类型为主，电化学传感器核心部件是电极材料，即催化剂材料，最常用的催化剂依旧是铂基催化剂，然而其稀有性带来的昂贵价格以及在酸碱电解质反应环境中的不稳定性，都促使相关领域的企业寻找更适合的非贵金属类催化剂作为铂基催化剂的替代品。
[0003]其中，金属
‑
N/C类催化剂材料在近十几年来得到广泛研究，被认为是最有希望替代贵金属的催化剂材料。但是这类相关材料的合成成本高、不稳定易失活及活性位点少的问题始终困扰着其实际应用。金属氮化物作为一种常见的金属间隙化合物，由于自身特殊的电子结构和类金属性质，具有优异的电子传导能力。其耐腐蚀性、热稳定性与电化学稳定性都使得该类材料在电化学催化领域中具有极大的应用潜力。
[0004]常见的有用固固分离法合成大比表面积介孔金属氮化物材料，此类介孔氮化物具有≤100m
‑
1/g的较高比表面积，且不同于一般的块体氮化物材料，在化学性质尤其是作为催化剂的性质上具有突出性能。或采用urea
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glass法制备出了一种氮化锆(ZrN)纳米颗粒催化剂，其可以替代甚至超过Pt基催化剂作为碱性环境中ORR催化剂。
[0005]但上述的金属氮化物膜存在均一性差、不能批量生产的缺陷。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种金属氮化物膜的制备方法，用于替代现有的贵金属催化剂，降低成本。
[0007]本专利技术的另一目的在于提供一种金属氮化物膜。
[0008]本专利技术采取的技术方案是，一种金属氮化物膜的制备方法，包括如下步骤：
[0009]S1：基材前处理；
[0010]S2：将基材放置于工作腔体内，抽真空；
[0011]S3：对工作腔体进行加热，同时旋转基材；
[0012]S4：待加热结束后，向工作腔体内通入氩气和氮气的混合气氛；
[0013]S5：在基材上先通过直流电源溅射核心靶材，再通过射频电源溅射掺杂靶材形成金属氮化物膜；
[0014]所述核心靶材与掺杂靶材均选自锆、钛、钒、钽、钼中的一种或多种，且核心靶材与掺杂靶材所选的金属不同。
[0015]进一步地，所述步骤S1中，其具体步骤为：
[0016]S11：用干燥脱脂纱布掸去粉尘；
[0017]S12：用脱脂纱布浸上酒精擦去污物；
[0018]S13：在120～180℃条件下烘烤0.5～5小时，以除去水蒸气和酒精；
[0019]S14：使用高纯氩气或氧气的等离子体进行轰击清洗，等离子体轰击可以除去基材的表面氧化层。
[0020]基材前处理的目的是清除基材表面的油污积垢、氧化物、锈蚀等污物，确保基材表面平整、清洁、光亮、提高膜层和基材的附着强度。如果基材表面抛光不平，未彻底清洁，存在附着物、锈斑或氧化层，镀膜时这些缺陷处易出现点状针孔、剥落、“发花”等现象。
[0021]使用高纯氩气或氧气的等离子体进行轰击清洗，等离子体轰击可以除去基材的表面氧化层，使表面形成缺陷或空位，并提高沉积薄膜的附着力。
[0022]进一步地，所述步骤S2的具体步骤为：将步骤S1中清理完毕的基材放置于工作腔体内，用机械泵和分子泵将工作室内的气压抽至1～5
×
10
‑
3Pa。
[0023]进一步地，所述步骤S3的具体步骤为：打开烘烤单元加温至120～180℃，保温2～5小时，同时使工作腔体内放置的基材旋转并加热，旋转速率为5～40rpm；再对基材进行加热，加热至120～200℃，保温1～2小时，然后开始镀膜。
[0024]烘烤除去真空室内的水蒸气和其他气体，使真空室有较好的本底真空。
[0025]进一步地，所述步骤S4的具体步骤为：往工作腔体内充入工作气体氩气和反应气体氮气，直至腔体内气压为0.9～1.2Pa；所述氩气流量为100～500SCCM，所述氮气流量为1600～2100SCCM。
[0026]进一步地，所述步骤S5中，具体包括如下步骤：
[0027]S51：打开直流电源，预热5～10分钟，此后开启电源，逐渐增加电压直至起辉，将功率调至1.5
‑
5KW，在挡板上预先溅射1～3分钟；
[0028]S52：移开挡板，在基材表面进行核心靶材溅射，溅射速度为10～20埃/秒；
[0029]S53：打开射频电源，预热5～10分钟，此后开启电源，逐渐增加电压直至起辉，将功率调至1.5
‑
5KW，在挡板上预先溅射1～3分钟；
[0030]S54：移开挡板，在基材表面进行掺杂靶材溅射，溅射速度为10～20埃/秒。
[0031]预先溅射的目的是将表面的杂质及其它污染物溅射在挡板上，以增加基片上薄膜的纯度。
[0032]进一步地，在直流电源与射频电源功率相同时，金属氮化物中氮的掺杂量近似等于：掺杂靶材溅射时间/(掺杂靶材溅射时间+核心靶材的溅射时间)。
[0033]在本专利技术中，采用的是多靶共溅的磁控反应溅射工艺，但目前还没有相应的技术手段可以做到精确掺杂，较为普遍的做法是在保持其他溅射条件相同的情况下，通过控制掺杂元素的溅射时间来近似控制掺杂过程中的相对掺杂量。
[0034]在金属氮化物薄膜的沉积过程中，在氩和氮的混合气氛(氮气占比为30％～70％)中采用直流电源溅射核心靶材，掺杂则通过射频电源溅射掺杂靶材来实现，在射频电源功率与直流电源功率相当的情况下，相对掺杂量由溅射时间近似确定，其值表现为掺杂靶材的溅射时间与(核心靶材的溅射时间+掺杂靶材的溅射时间)的比值。
[0035]进一步地，所述基材为PTFE膜、PVDF膜、PVF膜、FEP膜、PFA膜中的一种；所述氮气体积占混合气氛体积的30％～70％；所述基材与金属靶材之间的距离为9～11cmcm。
[0036]采用含氟基材更耐酸碱电解液的腐蚀，防止电解液向外渗漏，同时通过选用不同透气率的氟膜以调整气体的透过速率，以兼顾响应速度和使用寿命。
[0037]一种金属氮化物膜，如上述的金属氮化物膜的制备而成，所述金属氮化物膜由金属靶材及氮气在磁溅射下沉积在基材上形成；所述掺杂靶材在金属氮化物膜上的掺杂量为2％～3％，所述金属氮化物膜的厚度为500～2000埃。
[0038]本专利技术的金属氮化物膜，作为氧气传感器中的电极材料，具有较好的响应速度、线性度、一致性和稳定性等。
[0039]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术制备的金属氮化物膜，均一性好，制备方法适用于工业量产；且本专利技术制备的金属氮化物膜用于氧气传感器中作为电极材料使用时，具有较好的响应速度、线性度、一致性和稳定性。
附图说明
[0040]图1为本专利技术的金属氮化物在氧气传感器中的线性测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属氮化物膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：基材前处理；S2：将基材放置于工作腔体内，抽真空；S3：对工作腔体进行加热，同时旋转基材；S4：待加热结束后，向工作腔体内通入氩气和氮气的混合气氛；S5：在基材上先通过直流电源溅射核心靶材，再通过射频电源溅射掺杂靶材形成金属氮化物膜；所述核心靶材与掺杂靶材均选自锆、钛、钒、钽、钼中的一种或多种，且核心靶材与掺杂靶材所选的金属不同。2.根据权利要求1所述的一种金属氮化物膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，其具体步骤为：S11：用干燥脱脂纱布掸去粉尘；S12：用脱脂纱布浸上酒精擦去污物；S13：在120～180℃条件下烘烤0.5～5小时，以除去水蒸气和酒精；S14：使用高纯氩气或氧气的等离子体进行轰击清洗，等离子体轰击可以除去基材的表面氧化层。3.根据权利要求1所述的一种金属氮化物膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤为：将步骤S1中清理完毕的基材放置于工作腔体内，用机械泵和分子泵将工作室内的气压抽至1～5
×
10
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3Pa。4.根据权利要求1所述的一种金属氮化物膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤为：打开烘烤单元加温至120～180℃，保温2～5小时，同时使工作腔体内放置的基材旋转并加热，旋转速率为5～40rpm；再对基材进行加热，加热至120～200℃，保温1～2小时，然后开始镀膜。5.根据权利要求1所述的一种金属氮化物膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S4的具体步骤为：往工作腔体内充入工作气体氩气和反应气体氮气，直至...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宾，赵罗恒，何伟生，孙昭红，马鹏飞，刘光亮，邱国财，郑晓银，刘新雅，张运龙，奉贞丽，陈新准，李修龙，傅王勇，李国宁，周海岽，吴凯萍，
申请(专利权)人：广州奥松电子有限公司，
类型：发明
国别省市：