磁控溅射法制备纳米Ag薄膜的AFM分析和导电性能.pdf

第2 7 卷第9 期 2 0 0 6 年9 月 纺织学报 J o 唧a lo f7 r e x m eR e s e a r c h V 0 1 2 7N o 9 s e p 2 0 0 6 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 l ( 2 0 0 6 ) 0 9 0 0 1 4 0 4 磁控溅射法制备纳米A g 薄膜的A F M 分析和导电性能 洪剑寒，王鸿博，魏取福，高卫东 ( 江南大学生态纺织科学与技术教育部重点实验室，江苏无锡2 1 4 1 2 2 ) 摘要在室温条件下，采用磁控溅射法在P E T 纺粘非织造布上制备了纳米觚薄膜，用原子力扫描显微镜( A F M ) 分析溅射功率、溅射真空室气压等工艺参数对纳米A g 薄膜结晶状态、粒径的影响；研究了溅射工艺参数与薄膜导 电性能之间的关系。实验结果表明，在室温下，随着溅射功率增加，纳米A g 薄膜A g 粒子尺寸增大，功率为1 2 0w 时，薄膜导电性能最好；随着反应气体压强增加，A g 粒子直径变小，薄膜的导电性能变差。 关键词 磁控溅射；纳米结构；A F M ；A g 薄膜；导电性能 中图分类号：鸭1 7 4文献标识码：A A F M a n a l y s i sa n dc o n d u c t i v i 坶o fn a n o - s t m c t u r e d s n V e rm md e p o s i t e db ym a g I 地t r o ns p u t t e r i n g H O N GJ i a J l h a l l ，W A N GH o n g _ b o ，W E IQ u f u ，G A OW e i d o n g ( z k 缸，瞄D 慨o ，y 旷s 砌聊& h n o 妞y 矿如D 一娥t 如，脑瓶s 竹矿触n ，S D 以_ J l e my 噼e 谚，阢威，泐铲u2 1 4 1 2 2 ，c 胁m ) A b s t r a c tP E Ts p u n b o n d e dn o n w o V e nf a b r i cd e p o s i t e d 、v i t hn a n o s t m c t u r e ds i l V e rt h i nf i l mw a sp r e p a I db y m a g I l e t r o ns p u t t e r i n g a tm o mt e m p e r a t u r e T h ee f f e c to ft e c h n i c a lp a m m e t e r s ，s u e ha ss p u t t e r i n gp o w e r ， v a c u u mp r e s s u r e ，o nt h em o 叩h o l o g ) ra n dp a r t i c l ed i a m e t e r so ft h en a n o s t m c t u r e ds i l v e rt h i n f i l mw a sa n a l y z e d b yA F M ( a t o I I l i cf o r c eI I l i c r o s c o p e ) T h er e l a t i o nb e t w e e ns p u t t e r i n gp a m m e t e r sa n dt h ec o n d u c t i v i t yo ft h e n a n o s t m c t u r e ds i l V e rt h i n6 l m sw a sa l s oi n V e s t i g a t e d hs h o w e dt h a tt h ei n c r e a s ei ns p u t t e r i n gp o w e rr e s u l t e d i nt h ei n c r e a s ei nt h ed i m e n s i o no fs i l v e rp a r t i c l e so ft h et h i nf i l m T h eb e s tc o n d u c t i v i t yw a sa c h i e v e da tt h e p o w e ro f1 2 0W C o n t r a r i l y ， t h ed i m e n s i o no fs i l V e rp a r t i e l ea n dt h ec o n d u c t i V i t yo ft h i nf i l m sd e c I e a s e da s a 曜o n 7 sp r e s s u r ei n c r e a s i n g K e yw o r d sm a g n e t r o ns p u t t e r i n g ；n a n o s t m c t u r e ；A F M ；s i l v e rt h i nf i l m ；c o n d u c t i v i t y 以纺织材料作为基材的纳米A g 薄膜是一种理 想的功能材料，可用于开发太阳能电池、电磁波屏蔽 纺织品和纤维传感器、抗菌材料等¨。o 。目前制备 A g 薄膜的方法大致有溶胶一凝胶法、c v D 法、溅射法 等。国内多采用溶胶一凝胶法制备A g 薄膜，该制备 方法工艺简单易行，但制备出来的薄膜不够均匀致 密，附着力差，膜层易脱落，难以适应长期、循环应 用。化学镀层技术。6 1 也被用来在纺织材料表面沉积 银镀层，由于化学镀层在反应液中进行，会产生加工 污染。而用磁控溅射法制备的薄膜，膜层结构均匀 致密，性能优良，薄膜与基底材料附着牢靠，因此在 导电、抗静电、抗反射涂层、抗菌等方面的应用有着 明显的优势。目前磁控溅射技术主要以金属、玻璃、 陶瓷以及P E T 薄膜等作为基材，在机械、电子和陶 瓷等领域已得到越来越广泛的应用“ 。，而采用纺织 材料作为基材的研究极少，对纺织材料表面功能化 的报道也较少。 在磁控溅射法制备纳米A g 薄膜的工艺中，气体 压强、溅射功率、溅射时间、基底温度等对薄膜性能 有很大影响。纳米薄膜中，纳米粒子尺寸和薄膜厚 度对其导电性能的影响较大。本文着重对磁控溅射 法中溅射功率、溅射压强等参数对纳米A g 薄膜粒子 收稿日期：2 0 0 5 1 0 1 8修回日期：2 0 0 6 一0 4 2 4 基金项目：教育部科学技术研究重点项目资助( 1 0 6 0 8 9 ) 作者简介：洪剑寒( 1 9 8 2 一) ，男，硕士生。主要研究方向为纺织材料的功能整理。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第9 期 洪剑寒等：磁控溅射法制备纳米A g 薄膜的A F M 分析和导电性能 【1 5 】 尺寸的影响进行了A F M 表征分析，并给出了气体压 强、溅射功率对纳米粒子尺寸的影响规律，同时研究 了磁控溅射工艺参数与薄膜导电性能之间的关系。 1实验部分 1 1 材料 选用P E T 纺粘非织造布( 1 0 0 m 2 ) 为溅射A g 薄膜的基材，样品大小为2 3c m ×7 3c m 。 1 2 仪器 A g 薄膜沉积装置选用J z c K 4 2 0 B 型高真空多 功能磁控溅射设备( 沈阳聚智科技有限公司) ，频源 频率1 3 5 6M H z ，最大功率3 0 0w ；A g 薄膜的A F M 分 析在c s P M 4 0 0 0 型原子力显微镜上进行( 广州本原 科技有限公司) ，扫描模式为接触式，仪器水平分辨 率为0 1n m ，垂直分辨率为0 0 1n m ；薄膜面电阻率 的测量采用s x l 9 3 4 型数字式四探针测量仪( 苏州百 神科技有限公司) 。 1 3 方法 样品制备采用高纯A g ( 9 9 9 9 ) 为靶材，靶材 与基材之间的距离为7 0m m 。为减少气体杂质对材 料的污染，提高薄膜的性能，先将反应室抽至本底真 空O 5m P a ，然后充入反应气体高纯氩气( 9 9 9 9 ) 。 为使溅射出的银粒子能均匀附着在基材上，实验过 程中，样品架以1 0 0r m i n 的转速旋转。在测量电阻 时，沿样品纵向分别取1 、2 、3c m ，用万用表测量两 点间的电阻值。为消除因纺织品表面不平整所带来 的测量误差，测量5 次取其平均值。 2 结果与分析 2 1 溅射功率的影响 2 1 1 对纳米A g 薄膜粒径的影响 在反应室内气体压强不变的条件下，改变射频 源的溅射功率，分别设定溅射功率为8 0 、1 2 0 、 1 6 0w ，通过膜厚仪控制制取厚度均为5 0n m 的薄膜。 图1 为在不同溅射功率下制备的A g 薄膜的A F M 图 像，从图l 看出，衄薄膜由颗粒状粒子组成，粒子的 大小有较好的均匀性，在扫描范围内仅有少量的尺 寸较小的团聚。缸颗粒都均匀的覆盖在基底表面， 粒子间隙较小，分布较均匀，这表明溅射制得的A g 薄膜属于致密薄膜，同时还可发现随着溅射功率的 增加，A g 粒子的形貌与粒径发生明显变化。通过 A F M 设备上的软件系统分析得到功率与粒径大小 的关系，见表l 。表1 结果表明，随着溅射功率的增 加，颗粒直径随之增加。这是由于较高的溅射功率 导致较高的溅射速率( 如表l 所示，随着功率的增大 溅射时间逐渐减少) ，使A g 原子的表面迁移量加大， 或者由于单位时间内溅射出更多的粒子，粒子之间 直接碰撞成核和团簇的几率增大，从而导致较大的 颗粒尺寸旧9 0 。 图l 不同溅射功率下制备的纳米A g 薄膜的A F M 图像 和三维示意图( 扫描范围5 0 姗×5 O 砌) 表1 溅射功率与纳米A g 薄膜粒径的关系 2 1 2 对纳米A g 薄膜导电性能的影响 薄膜的制作技术和薄膜生长过程及其结构都会 对薄膜的性能带来影响¨0 I 。表2 为溅射功率与纳 米A g 薄膜导电性能的关系。从表2 看出，当功率为 1 2 0w 时，薄膜的导电性能最佳，8 0w 时次之，1 6 0w 时导电性能最差。这可以理解为在溅射速率较低时 所生成的薄膜结构疏松，电子难以穿过由疏松结构 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 【1 6 】纺织学报第2 7 卷 造成的势垒，从而在薄膜中电子的移动能力较弱，产 生导电的能力也就较弱，所以电阻值较高。一般情 况下希望较高的溅射速率，使薄膜结构致密，减小势 垒对导电性能的负面影响，但是溅射速率过大会导 致颗粒尺寸的增大，从而影响薄膜的表面粗糙度，致 使薄膜表面不平整，也导致了薄膜导电性能的下降， 表2 证实了这一点。 表2 溅射功率与纳米A g 薄膜导电性能的关系 注：表中1c m 、2c m 、3c m 表示沿样品纵向分别间隔1 、2 、3c m 时 用万用表所测两点间的电阻值，表4 同。 2 2 真空室气体压强的影响 2 2 1 对纳米A g 薄膜粒径的影响 在保持溅射功率为1 2 0w ，溅射时间为3 0I l l i n 的 条件下，改变真空室压强，分别设定其压强为1 4 、 2 2 、3 0P a ，制得相应的纳米结构A g 薄膜。图2 为 在不同气体压强下制备的A g 薄膜的A F M 图像。 图2不同气体压强下制备的纳米A g 薄膜的A F M 图像 和三维示意图( 扫描范围50 衄×50 n m ) 对A g 薄膜的A F M 分析发现，随着真空室内气 体压强的增加，纳米A g 粒子的粒径也发生明显变 化。不同气体压强下制得的A g 薄膜表面颗粒的粒 径如表3 所示。可以看出，随着气体压强的增大，颗 粒直径逐渐减小。这种现象可以理解为随着气体压 强的增大，反应室内气体密度加大，轰击银耙材的高 能带电粒子与反应气体分子之间或者高能粒子与高 能粒子之间碰撞的机会增大，使其平均自由程缩短， 溅射出的银原子的动能减小，不易沉积在基材表面， 从而在相同的时间内沉积的薄膜厚度减小，颗粒直 径也随之减小。 表3 气体压强与纳米A g 薄膜粒径的关系 2 2 2 对纳米A g 薄膜导电性能的影响 表4 为气体压强与纳米A g 薄膜导电性能的关 系。从表4 可以看出，随着压强的增大，在相同时间 内所制得的薄膜的导电性能越来越差，而且差异较 大。由上面得出的结论可知，薄膜颗粒大小以及纳 米结构的差异会造成薄膜导电性能的差异，但是在 相同厚度下其差异不是很大。除去颗粒大小及薄膜 纳米结构的影响，薄膜厚度的大小是影响导电性能 的最主要因素。这也证实了上面得出的结论，即气 体压强的大小对溅射速率的大小存在影响，在本文 实验的范围内，气体压强越大，溅射速率越小，相同 时间内在基材上沉积的薄膜厚度越小，导致薄膜导 电性能的下降。 表4 气体压强与纳米A g 薄膜导电性能的关系 3结论 磁控溅射镀膜技术可以通过控制溅射功率、气 体压强等工艺参数对纳米薄膜的结构进行控制，进 而影响薄膜的导电等各项性能。 溅射功率影响薄膜的纳米结构，功率越大，薄膜 颗粒越大。但对薄膜导电性能的影响并不呈简单的 线性关系，随着功率的增大，导电性能先提高然后降 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第9 期洪剑寒等：磁控溅射法制备纳米A g 薄膜的A F M 分析和导电性能【1 7 】 ( 上接第8 页) 很好的紫外线屏蔽作用。在2 6 0 3 6 0n m 波段，试样 的紫外线透过率均在2 左右，u P F 值接近5 0 ；经过 2 0 次皂洗，紫外线透过率曲线变化很小，u P F 值仍 保持在3 0 以上。同时，图9 还显示，棉原样的抑菌 率为0 ，整理后试样的抗菌性能达到1 0 0 ，皂洗2 0 次后仍然保持在9 8 以上。 3结论 1 ) 优选的3 。加固剂具有优良的加固作用，使 整理后织物具有良好的水洗耐久性。 2 ) 优化后的纳米整理工艺为M 型抗菌抗紫外 纳米整理剂2 4g L ，3 。加固剂4 0 5 0g L ，自制分散 剂6 1 2g L ，焙烘温度1 2 0 1 5 0 ，焙烘时间 2 3m i n 。 3 ) 经优化工艺整理的棉织物具有良好的抗菌 和抗紫外线性能及优良的水洗耐久性，整理后织物 的u P F 值达到澳大利亚新西兰标准的“e x c e l l e n t ” ( 极好) 级，皂洗2 0 次后的u P F 值仍达“v e r yg o o d ” ( 很好) 级；抗菌性按美国A A T C c1 0 0 方法检测，对金 黄色葡萄球菌的抑菌率达1 0 0 ，皂洗2 0 次后仍保 持在9 8 。 参考文献： 1 张志煜，崔作林纳米技术与纳米材料 M 北京：国 防工业出版社，2 0 0 0 2 4 2 黄德欢纳米技术与应用 M 上海：中国纺织大学 出版社，2 0 0 1 1 4 3 李玲，向航功能材料与纳米技术 M 北京：化学工 业出版社，2 0 0 2 7 4 高绪珊，吴大诚纳米纺织品及其应用 M 北京：化 学工业出版社，2 0 0 4 1 0 5 A m e r i c a nA s s o c i a t i o no fT b x t i l ec h e m i s t sa n dc o l o r i s t s A A T C C7 I 、e c h n i c a lM a n u a l2 0 0 0 z R e s e a r c hT r i a n g l e P a r k ：A A l C ，2 0 0 0 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark