一種金屬間化合物薄膜的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于功能材料領域，涉及一種金屬間化合物薄膜的制備方法。
【背景技術】
[0002]金屬間化合物具有多樣化的鍵合類型(金屬鍵和共價鍵)、特殊的晶體結構、電子結構和能帶結構，因而具有許多特殊的物理化學性質和力學性能。例如，獨特的電學性質、磁學性質、光學性質、聲學性質、電子發射性質、催化性質、抗氧化耐腐蝕性。金屬間化合物不僅可以用作高溫結構材料，在功能材料領域也有著非常廣泛的用途，例如作為半導體材料、磁性材料、記憶合金、儲氫材料、高亮度電子源材料及觸媒等。然而由于塊體金屬間化合物較脆，難以加工成形狀復雜的制品，而薄膜可以在復雜表面上沉積。以薄膜形式存在的金屬間化合物，特別適合用于切割和加工，并且由于其高溫抗氧化性能優良，還可用于高溫部件上。因此，金屬間化合物薄膜材料受到越來越多的重視，具有廣泛的應用前景。但是，由于成膜難度大，金屬間化合物薄膜材料的制備技術成為制約其應用的瓶頸。
[0003]現有金屬間化合物薄膜制備方法主要包括:物理氣相沉積(蒸鍍法、濺射法和離子鍍法)和化學氣相沉積(等離子體增強化學氣相沉積法和激光化學氣相沉積法)。但是，上述方法存在以下的缺點:需要在高溫環境下制備；需要在真空環境下制備，對設備有較強的依賴性；能耗大，成本高；薄膜生長速率慢。
[0004]針對現有金屬間化合物薄膜制備方法中存在的問題，亟需一種在低溫下快速制備金屬間化合物薄膜的新方法。電迀移是在高電流密度作用下發生的金屬原子定向擴散迀移的現象，其本質是電子在電場中運動的過程中與金屬原子發生相互碰撞后，會將本身的部分動量傳遞給金屬原子，當原子獲得的能量超過其擴散所需的驅動力時，就會發生電迀移。
【發明內容】
[0005]本發明提供了一種金屬間化合物薄膜的制備方法，形成釬焊接頭結構，在釬焊回流時對接頭施加一定的直流電流，誘發大量的金屬原子從接頭陰極金屬基底溶解到液態釬料中，并向接頭陽極快速擴散迀移，從而在接頭陽極金屬基底上快速生成金屬間化合物，而接頭陰極金屬基體上金屬間化合物的生長受到抑制，待釬料全部反應完畢后將殘余的接頭陰極金屬基底去除，獲得附著于陽極金屬基底上的金屬間化合物薄膜。該方法在傳統的釬焊回流溫度下進行，可制備出致密平整的金屬間化合物薄膜；金屬間化合物生長速率快，顯著提高了金屬間化合物薄膜的制備效率；金屬間化合物薄膜可具有單一取向，提高了薄膜的力學性能。
[0006]本發明采用的技術方案如下:
[0007]一種金屬間化合物薄膜的制備方法，提供第一金屬基底，所述第一金屬基底上采用電鍍、濺射、氣相沉積或蒸鍍制備第一釬料金屬層，提供第二金屬基底，第一金屬基底和第二金屬基底具有相同的材質。
[0008]第一金屬基底和第二金屬基底之間施加直流電流以形成電流密度；所述電流密度定義為?/s，所述I為通過第一金屬基底的電流值，所述S為第一金屬基底的橫截面積；
[0009]兩金屬基底之間的釬料發生釬焊反應生成金屬間化合物薄膜。
[0010]本發明的技術方案分為以下兩種:
[0011]技術方案一，包括以下步驟:
[0012]步驟一:提供第一金屬基底，所述第一金屬基底上采用電鍍、濺射、氣相沉積或蒸鍍的方法制備第一釬料金屬層；提供第二金屬基底，所述第二金屬基底上采用電鍍、濺射、氣相沉積或蒸鍍的方法制備第二釬料金屬層；
[0013]步驟二:在第一釬料金屬層和第二釬料金屬層的表面涂覆焊劑；
[0014]步驟三:將第一釬料金屬層和第二釬料金屬層對準，面對面接觸放置，形成一個組合體；
[0015]步驟四:將步驟三形成的組合體加熱至所需溫度下進行釬焊回流，同時施加一定的直流電流，即在上述組合體內形成一定的電流密度，并使電流方向由第一金屬基底指向第二金屬基底，直至第一釬料金屬層和第二釬料金屬層熔化后發生釬焊反應全部轉變為金屬間化合物；
[0016]步驟五:去除殘余第二金屬基底，獲得附著于第一金屬基底上的金屬間化合物薄膜；
[0017]技術方案二，包括以下步驟:
[0018]步驟一:提供第一金屬基底，所述第一金屬基底上采用電鍍、濺射、氣相沉積或蒸鍍的方法制備第一釬料金屬層；提供第二金屬基底；
[0019]步驟二:在第一釬料金屬層和第二金屬基底的表面涂覆焊劑；
[0020]步驟三:將第一釬料金屬層和第二金屬基底對準，面對面接觸放置，形成一個組合體；
[0021]步驟四:將步驟三形成的組合體加熱至所需溫度下進行釬焊回流，同時施加一定的直流電流，即在上述組合體內形成一定的電流密度，并使電流方向由第一金屬基底指向第二金屬基底，直至第一釬料金屬層熔化后發生釬焊反應全部轉變為金屬間化合物；
[0022]步驟五:去除殘余第二金屬基底，獲得附著于第一金屬基底上的金屬間化合物薄膜；
[0023]上述的技術方案一或技術方案二還包括以下特征:
[0024]所述電流密度定義為I/S，所述I為通過第一金屬基底的電流值，所述S為第一金屬基底的橫截面積；
[0025]所述電流密度不小于(λ5X 104A/cm2，優選為(λ 5X 104A/cm2?6.0X 10 Vcm2；
[0026]所述金屬間化合物在釬焊回流過程中于第一金屬基底上形成生長；
[0027]所述第二金屬基底在釬焊反應后仍有殘余；
[0028]所述第一金屬基底和第二金屬基底具有相同的材質，優選為Cu、N1、Pd、Au、Ag和Fe中的一種；
[0029]所述第一釬料金屬層和第二釬料金屬層具有相同的材質，優選為Sn、In、SnAg>SnAu和SnCu中的一種；
[0030]所述第一釬料金屬層和第二釬料金屬層的總厚度為0.1?1000 μπι ；
[0031]所述第二金屬基底的厚度，根據釬料層和金屬基底的材質，并使釬料層在釬焊反應中全部反應形成金屬間化合物為準，且在釬焊反應后仍有殘余，本領域的技術人員可根據實際需求進行選擇；
[0032]所述金屬間化合物為Cu-Sn、Ni_Sn、Cu_In、Ni_In、Ag-Sn> Fe_Sn、Pd-Sn> Au-Sn>Au-1n、Ag-1n 中的一種；
[0033]所述第一金屬基底或第二金屬基底中作為陽極的一方可選為單晶或具有擇優取向，此時所述金屬間化合物薄膜沿所述直流電流的方向具有單一取向，且與第一金屬基底或第二金屬基底中作為陽極的一方位相關系一致。
[0034]本發明中形成電流密度所采用的加電裝置為直流電源。
[0035]本發明中，在電流密度存在的條件下進行釬焊回流的過程中，金屬基底和釬料的材質、電流密度和回流溫度是影響金屬間化合物的生長速率和結構的最主要因素，其它因素影響較小；金屬間化合物的生長速率隨電流密度的增大而增加。因此，本發明不限于上述技術方案中的結構。
[0036]本發明的有益效果如下:采用釬焊反應生成金屬間化合物，并在釬焊回流時施加直流電流，促使金屬原子發生電迀移，加速了金屬間化合物的生長速率，顯著提高了薄膜的制作效率；金屬間化合物從陽極金屬基底上向陰極金屬基底連續生長，可有效避免形成的金屬化合物薄膜中出現孔洞；陽極金屬基底采用單晶或擇優取向金屬材料、選擇合適的釬料，形成的金屬間化合物具有單一取向，從而提高了金屬間化合物薄膜的力學性能；形成的金屬間化合物薄膜具有較好的熱穩定性，可在400°C以上長期可靠服役；實現金