用磁控溅射的方法在粉煤灰的表面镀上纳米铜膜文档格式.docx
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这些手段表明新型的磁控溅射设备可以用在粉煤灰的表面镀上一层高质量的纳米铜膜。
关键词：
粉煤灰、纳米铜膜、磁控溅射
引言：
煤胞是一种从火力发电厂排放的粉煤灰中分离得到的空心微珠，其表面主要是由石英和莫来石组成的，并且颗粒的粒度分布是在40nm到200nm之间，密度大约在0.7±
0.1g/cm3。
由于独特的球面联合作用使得这样的空心微珠具有高强度的受压缩性、优越的声学和热血绝缘性。
煤胞具有优良的性能可以用作填充材料，也许能够取代其他的矿物填充材料。
而通过表面改性的煤胞能够进一步地改善它的烧结性能，催化性能，吸波性能，选择性和力学、热学方面的性能（恩辛格&
穆勒，1994年）。
镀上一层薄薄的金属膜的煤胞是通过镀层金属材料组分和中间的取核子作用的粉煤灰来共同拥有优越的性能的。
比如说：
镀上一层很薄的银膜的空心微珠的最终产品就能和银一样的电导性能以及红外反射性能，同时，也能有和陶瓷类似的热绝缘性，很低的密度，很低的成本，很小的维护费用，以及宽泛的使用性能。
当这样的材料再添加上一个合适比率的涂层，黏合剂和树脂复合材料的时候，他们就能提供相应的导电性能，给一些受电磁干扰的设备提供防护（EMI），在涂层和黏合剂中，低密度的颗粒比一些重金属的无机填料更容易进行缓慢的相分离（恩辛格&
穆勒，2003年），许多的对固体物质表面改性的独特方法应运而生，如：
离子注入法离子束混合和粒子束沉积法，化学覆盖法，金属膜沉积法和其他的一些方法，还有最近用于能够有效在固体表面镀上金属膜的磁控溅射法，然而，迄今为止，还没有任何的资料对在微细粒表面应用该法进行金属镀膜的报道。
我们做这项研究的目标就是开发一种磁控溅射法，以试图能够准确控制在煤胞的表面沉积的铜的数量。
我们技术的关键点就是建造一个既能够振动又能摆动的装置，以保持镀膜区域中的微粒的分散和在流化床中的沉积的增加。
镀上铜膜的空心微珠具有优越的性能，重量轻，成本低，但是具有导电屏蔽的导电性铜材料却成本高，质量大。
空心微珠的制备和预处理
把这些微粒通过160目的细筛进行筛分，筛下部分用酸液和碱液分别洗涤消除有机的或无机的杂质，从而获得清洁的表面。
图
（1）说明显微镜下的空心微珠的形状。
从中能看出，几乎所有的空心微珠都是具有规则的区域，在显微镜下是透明的。
这些空心微珠的粒度大概在30到80微米之间。
在这样的粒度级别上的微珠表面是光滑的，图
（1）b，显示的是在化学显微镜下的空心微珠范围里的转移图像。
可以看出的是：
在其表面的区域范围内是十分薄的，而且不均匀。
一些较小的空心微珠是镶嵌在大的微珠中间的，同时，一些区域中含有杂质。
表
（1）列出了这种空心微珠的化学成分及其含量，显示其中的SiO2和Al2O3含量之
（a）（b）
图
（1）：
光学显微镜下的未镀膜的空心微珠，（a）反射光照射（b）投射光照射
和超过了91%，其他的成分主要是钠、钾、碳的氧化物等。
表
（1）空心微珠的含量
成分
SiO2
Al2O3
Na2O
CO2
K2O
Fe2O3
CaO
其他
含量/wt%
49.700
42.200
1.430
2.700
1.400
0.915
0.727
0.928
磁控溅射镀膜
图
（2）显示的是一种最近设计的用于目前的研究中的磁控溅射设备，它由真空室、目标室、样品货架、样品容器、旋转水泵、涡轮分子泵、氩气供应和发射装置组成。
2克重的被洗涤和干燥过的空心微珠样品放在样品容器中，溅射室被抽到3x10-3帕的真空状态，样品容器在600到1800赫兹的频率下进行振动使样品颗粒得到分散。
当测得氩气的压强为4x10-1的时候就可开始溅射镀层。
可以通过改变溅射电压和电流的方法对溅射功率进行调整，溅射的时间取决与需要溅射产生的金属膜的厚度，如果有必要的话，样品容器也能加热。
结果与讨论
（一）薄膜的表面形貌
图（3）显示了显微镜下的空心微珠的表面铜膜，此镜显示的是空心微珠表面上的薄铜膜。
良好的空心微珠釉面表明其表面的光滑。
从该区域里面反射的白光显示出空心微珠表面镀上的铜膜是十分均匀的，并且很清洁。
图（3）的a图和b图分别表示的是在高的和低的溅射压力下形成的铜膜，图（3）a图中的黑色金属膜表明这样的溅射尺寸是纳米级别的。
随着溅射功率的加大，铜膜的颜色变得接近自然的痛的颜色，就像图（3）b图展示的那样，结果表明溅射的功率直接影响到溅射率，较高的溅射功率对应更高的溅射速度，也能得到更高厚的溅射膜。
图（4）显示了空心微珠镀上的铜膜在场发射扫描电子显微镜的显微结构（1530双领域场发射扫描电镜，德国轨道公司），图（4）显示的是样品在低放大倍率的有限元SEM照片。
从图（4）a图中可以看出被镀在空心微珠的表面上的纳米铜膜是光滑的，均匀的。
在这个放大倍率下，表面没有明显的颗粒，也没有在表面上观察到没有镀上金属膜的地方。
图（4）b图展示的是样品在高的放大倍率下的有限元SEM照片。
我们可以看出表面镀上的铜膜是相当光滑的，除了一些及其细小的颗粒粘附在被镀上铜膜的空心微珠上，此外这种膜是相当致密的，没有明显的裂纹，这些结果表明，空心微珠表面镀上的铜膜在微观尺度上是统一的，致密的。
图（5）分别是镀上和没有镀上铜膜的空心微珠的三维AFM照片，其中图（5）中的a图是没有镀上铜膜的空心微珠的展示图，b图是已经镀过铜膜的展示图，其表面比没有镀上铜膜的空心微珠表面要粗糙些。
没有镀上铜膜的空心微珠表面是光滑的，而且没有明显的微粒粘附，这是因为这种空心微珠产生于熔化灰。
表面的峰也是很光滑的，但这样的峰也是很少见的。
图（5）b图的三维AFM图片显示出镀过的铜膜的表面有许多尖锐的“山峰”，这些山峰表明溅射的机理是：
铜原子首先在其表面积累形成细小的颗粒，然后这些细小的颗粒又长大集结成为大颗粒，大量的这种颗粒的沉积，直到他们之间相互连接，形成第一层铜膜。
随着溅射时间的增加，下一层的颗粒又在上一层依附，逐渐使得铜膜变厚。
（a）（b）
图（3）用磁控溅射法镀膜的空心微珠的光学显微镜图片，其中（a）图为低功率（b）图为大功率
（二）：
X射线能普分析
为了能确定空心微珠表面铜膜的特性，我们打开了一个这样的空心微珠，如图（6）的a图显示被击碎了的空心微珠的一小部分。
结果显示铜膜是紧密粘附在空心微珠的表面。
图里面的小交叉是我们预先在膜上设定的点，然后对该店进行X射线能普分析。
图b显示的是X射线能普分析的结果：
主要的元素有铝、硅、氧，当然最多的还是铜。
和表
（1）比较，就能知道原来的空心微珠中没有铜的存在，比较结果可以知道：
空心微珠被镀上了铜膜。
图（4）用磁控溅射法镀膜的空心微珠的SEM图片，其中a图为第倍率图像，b图为高倍率图像
（二）铜膜的厚度
镀上的铜膜的厚度对该罚的进一步的应用是十分重要的。
首先，我们粉碎空心微珠，然后选取带有横断面的残片。
图（7）展现了暴露的铜膜厚度的测量，其中a图是向后散射的形貌图，b图是第二个电子的图像，a图可以看出铜膜和空心微珠没有明显的分界线。
这也表明铜膜是致密地镀在空心微珠的表面，同时也能说明磁控溅射是一种有效的给空心微珠镀上铜膜的好办法。
（三）X射线能谱分析
为了评估材料的结晶晶型，图（8）展现了不同溅射功率镀上的铜膜的XRD的分析结果。
图（8）中那条最低图线的结果表明在60W功率下铜元素的特征峰是不明显的。
这是因为在如此低的功率作用下的铜膜很薄，使得铜的结晶很不完整；
当作用的功率增加到100W的时候，铜元素的特征峰就变得很尖锐，这意味着所镀上的铜膜中铜元素具有很好的结晶。
表
（2）列出了铜膜的厚度与溅射功率的相关性。
越强的溅射功率就能得到月后的溅射膜。
（a）
（b）
图（5）镀铜膜与否的空心微珠表面AFM图像，其中（a）是没有镀铜膜的空心微珠，（b）为镀上了铜膜的空心微珠表面
图（6）镀上铜膜空心微珠的EDS图像，其中（a）镀上铜膜空心微珠的残片，图（b）是对图a中残片的X能普分析
项目
溅射功率r/W
溅射膜的厚度/nm
Cu
100
77.03
190
86.67
230
145.12
310
212.50
图（7）空心微珠表面所镀的铜膜的SEM电镜图
图（8）不同的溅射功率条件下的铜膜XRD分析结果
（五）铜膜的均匀性分析
为了能够准确地确定所镀铜膜的均匀性，我们使用了X射线光电子能普的办法（XPS）。
XPS是一种能够破坏试样的检测方法，扫描其表面的时候样品就受到了损坏，因此我们在同一个地方反复对样品进行扫描，我们就能检测到其内部的膜层。
图（9）展示的是在同一个地方的扫描结果，可以看出除了膜表面的那条曲线外，其他的曲线都十分相似。
铜膜的表面和内部的XPS扫描曲线之间的差异是来源于其表面的氧化，同时它也能说明镀上的铜膜是光滑的、致密的，具有良好的一致性。
图（9）同一个地方铜膜的XPS扫描结果
结论
最新设计的这种磁控溅射的设备已经成功地应用于对空心微珠的表面进行的镀铜实践。
对该铜膜的表面形貌学的研究是通过光学显微镜、SEM、扫描探针电子显微镜来进行的；
空心微珠上铜膜的特点是通过X射线能普、XRD、XPS的方法来进行的。
空心微珠镀上的铜膜具有光滑、连续、均匀的特点。
内层的铜膜和外表面的铜膜是一致的。
这种方法适合用于其它的像粉煤灰的空心微珠的表面的溅射镀上纳米级铜膜。
同时，其他的金属（不仅仅是铜）或者他们的氧化物也能采用这种办法，达到对样品的表面进行该行的目的。
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