电镀法制备镍-立方氮化硼薄膜用的镀液及其制备方法

摘要

电镀法制备镍-立方氮化硼薄膜用的镀液及其制备方法，由硼酸、氯化铵、氨基磺酸镍和十二烷基硫酸钠溶解在去离子水中制成，每升镀液中含有硼酸30-50g，氯化铵5-15g，氨基磺酸镍280-320g，十二烷基硫酸钠0.6-1.0g。本发明通过优化镀液的配方，使得电镀法生产的镍-立方氮化硼薄膜镀层中立方氮化硼粉体分布均匀，无团聚现象，同时，薄膜中的镍层也相对平整，立方氮化硼粉体在薄膜中没有团聚现象，粉体的镶嵌较为牢固。

说明书

技术领域

本发明涉及镍-立方氮化硼薄膜的制备领域，具体的说是电镀法制备镍-立方氮化硼薄膜用的镀液及其制备方法。

背景技术

立方氮化硼（cBN）是一种新型的半导体材料，具有优异的物理化学性质，如高硬度、高热导率、宽带隙、高热稳定性及化学稳定性，适合用作铁基合金刀具涂层。

制备立方氮化硼薄膜的典型物理气相沉积方法主要有溅射、离子镀和脉冲激光沉积，化学方法主要有射频辉光放电等离子体CVD，热丝辅助射频辉光放电等离子体CVD，电子回旋共振CVD等。科研工作者利用各种物理气相沉积和化学沉积方法进行制备立方氮化硼薄膜虽然取得了一定的成果，合成了不少的高立方相含量的薄膜，但是都存在着一些问题。

立方氮化硼薄膜的制备主要存在如下几个问题：首先是黏附性问题，立方氮化硼薄膜和硅衬底之间的黏附性较差，多数薄膜在制备出后的较短时间内就发生脱落，产生该种情况的原因主要是薄膜与衬底之间的残余压应力，以及立方氮化硼薄膜与硅衬底之间的晶格常数相差较大。其次是非立方相的存在问题，无论是物理沉积还是化学沉积进行立方氮化硼薄膜的制备，都是一种层状的结构，一般情况都是首先在衬底上生成大约2nm厚的非晶态BN层，然后是hBN层，厚度大约是2-5nm，在该层之上才是cBN层，该层厚度与制备的条件以及制备时间有密切的关系，其厚度不会超过2um，这种结构的存在严重的影响薄膜的力学性能。最后是成核与生长机理问题，立方氮化硼的成核和生长与温度、时间及离子的能量有关，随着科技的发展以及立方氮化硼薄膜制备工作的不断进展，人们发现无论是物理气相沉积还是化学气相沉积进行制备的立方氮化硼薄膜，都需要用高能的离子对正在生成的薄膜表面进行轰击，并且这些沉积方法对衬底的温度要求也相当苛刻，虽然很多科研工作者制备出了立方相含量较高的BN薄膜，但是其生产与制备高质量立方氮化硼薄膜的重复性较差。

发明内容

为解决现有方法制备的镍-立方氮化硼薄膜中立方氮化硼含量低且立方氮化硼颗粒分布不均匀的问题，本发明提供了一种电镀法制备镍-立方氮化硼薄膜用的镀液及其制备方法，使用该镀液进行电镀，可有效的提高镍-立方氮化硼薄膜中立方氮化硼的含量，不仅改善了立方氮化硼颗粒在薄膜中的分布，而且提高了薄膜与基材的结合强度。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：电镀法制备镍-立方氮化硼薄膜用的镀液，由硼酸、氯化铵、氨基磺酸镍和十二烷基硫酸钠溶解在去离子水中制成，每升镀液中含有硼酸30-50g，氯化铵5-15g，氨基磺酸镍280-320g，十二烷基硫酸钠0.6-1.0g。

本发明中，优选的，每升镀液中含有硼酸35-45g，氯化铵8-12g，氨基磺酸镍290-310g，十二烷基硫酸钠0.7-0.9g。

本发明的镀液在电镀时，每升镀液中加入25-45g的立方氮化硼粉体，优选的加入30-40g的立方氮化硼粉体。

该镀液的制备方法包括以下步骤：

1）按照上述的比例称量硼酸、氯化铵、氨基磺酸镍和十二烷基硫酸钠，并将各物质溶解在适量的去离子水中配制成溶液，备用；

2）依次将步骤1）制备的十二烷基硫酸钠溶液、氨基磺酸镍溶液和氯化铵溶液边搅拌边加入到硼酸溶液中，备用；

3）向步骤2）制备的混合溶液中加入去离子水，使各物质的浓度满足上述要求。

有益效果：本发明通过优化镀液的配方，使得电镀法生产的镍-立方氮化硼薄膜镀层中立方氮化硼粉体分布均匀，无团聚现象，同时，薄膜中的镍层也相对平整，立方氮化硼粉体在薄膜中没有团聚现象，粉体的镶嵌较为牢固。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述。

本发明选取的各原料均为市售，其中立方氮化硼粉体在使用前，需要在40℃的温度下，利用氢氧化钠溶液对粉体表面进行脱脂除油处理。

实施例1

电镀法制备镍-立方氮化硼薄膜用的镀液，由硼酸、氯化铵、氨基磺酸镍和十二烷基硫酸钠溶解在去离子水中制成，每升镀液中含有硼酸30g，氯化铵5g，氨基磺酸镍280g，十二烷基硫酸钠0.6g。

其制备方法为：

1）分别称取硼酸30g、氯化铵5g、氨基磺酸镍280g和十二烷基硫酸钠0.6g，并将称量的各组物质分别溶解在适量的去离子水中配制成溶液，备用；

2）依次将步骤1）制备的十二烷基硫酸钠溶液、氨基磺酸镍溶液和氯化铵溶液边搅拌边加入到硼酸溶液中，备用；

3）向步骤2）制备的混合溶液中加入去离子水，使混合溶液的体积达到1L，混合均匀即制得镀液。

使用该镀液电镀时，每升镀液中需要添加25g脱脂除油处理过的立方氮化硼粉体，镀膜完成后，通过XRD及SEM扫描分析：镀层的薄膜较均匀，立方氮化硼颗粒分布相对均匀，表面有少量的立方氮化硼颗粒团聚现象，颗粒镶嵌较为牢固，表面没有颗粒脱落现象。在500μm²的面积内观察，没有发现团聚点，立方氮化硼颗粒数170个。

实施例2

电镀法制备镍-立方氮化硼薄膜用的镀液，由硼酸、氯化铵、氨基磺酸镍和十二烷基硫酸钠溶解在去离子水中制成，每升镀液中含有硼酸50g，氯化铵15g，氨基磺酸镍320g，十二烷基硫酸钠1.0g。

其制备方法为：

1）分别称取硼酸50g、氯化铵15g、氨基磺酸镍320g和十二烷基硫酸钠1.0g，并将称量的各组物质分别溶解在适量的去离子水中配制成溶液，备用；

2）依次将步骤1）制备的十二烷基硫酸钠溶液、氨基磺酸镍溶液和氯化铵溶液边搅拌边加入到硼酸溶液中，备用；

3）向步骤2）制备的混合溶液中加入去离子水，使混合溶液的体积达到1L，混合均匀即制得镀液。

使用该镀液电镀时，每升镀液中需要添加45g脱脂除油处理过的立方氮化硼粉体，镀膜完成后，通过XRD及SEM扫描分析：镀层的薄膜较均匀，立方氮化硼颗粒分布相对均匀，表面有少量的立方氮化硼颗粒团聚现象，颗粒镶嵌较为牢固，表面没有颗粒脱落现象。在500μm²的面积内观察，没有发现团聚点，立方氮化硼颗粒数211个。

实施例3

电镀法制备镍-立方氮化硼薄膜用的镀液，由硼酸、氯化铵、氨基磺酸镍和十二烷基硫酸钠溶解在去离子水中制成，每升镀液中含有硼酸40g，氯化铵10g，氨基磺酸镍300g，十二烷基硫酸钠0.8g。

其制备方法为：

1）分别称取硼酸40g、氯化铵10g、氨基磺酸镍300g和十二烷基硫酸钠0.8g，并将称量的各组物质分别溶解在适量的去离子水中配制成溶液，备用；

2）依次将步骤1）制备的十二烷基硫酸钠溶液、氨基磺酸镍溶液和氯化铵溶液边搅拌边加入到硼酸溶液中，备用；

3）向步骤2）制备的混合溶液中加入去离子水，使混合溶液的体积达到1L，混合均匀即制得镀液。

使用该镀液电镀时，每升镀液中需要添加35g脱脂除油处理过的立方氮化硼粉体，镀膜完成后，通过XRD及SEM扫描分析：镀层的薄膜较均匀，立方氮化硼颗粒分布相对均匀，表面有少量的立方氮化硼颗粒团聚现象，颗粒镶嵌较为牢固，表面没有颗粒脱落现象。在500μm²的面积内观察，没有发现团聚点，立方氮化硼颗粒数265个。

实施例4

电镀法制备镍-立方氮化硼薄膜用的镀液，由硼酸、氯化铵、氨基磺酸镍和十二烷基硫酸钠溶解在去离子水中制成，每升镀液中含有硼酸35g，氯化铵8g，氨基磺酸镍310g，十二烷基硫酸钠0.9g。

其制备方法为：

1）分别称取硼酸35g、氯化铵8g、氨基磺酸镍310g和十二烷基硫酸钠0.9g，并将称量的各组物质分别溶解在适量的去离子水中配制成溶液，备用；

2）依次将步骤1）制备的十二烷基硫酸钠溶液、氨基磺酸镍溶液和氯化铵溶液边搅拌边加入到硼酸溶液中，备用；

3）向步骤2）制备的混合溶液中加入去离子水，使混合溶液的体积达到1L，混合均匀即制得镀液。

使用该镀液电镀时，每升镀液中需要添加30g脱脂除油处理过的立方氮化硼粉体，镀膜完成后，通过XRD及SEM扫描分析：镀层的薄膜较均匀，立方氮化硼颗粒分布相对均匀，表面有少量的立方氮化硼颗粒团聚现象，颗粒镶嵌较为牢固，表面没有颗粒脱落现象。在500μm²的面积内观察，没有发现团聚点，立方氮化硼颗粒数240个。

实施例5

电镀法制备镍-立方氮化硼薄膜用的镀液，由硼酸、氯化铵、氨基磺酸镍和十二烷基硫酸钠溶解在去离子水中制成，每升镀液中含有硼酸45g，氯化铵12g，氨基磺酸镍290g，十二烷基硫酸钠0.7g。

其制备方法为：

1）分别称取硼酸45g、氯化铵12g、氨基磺酸镍290g和十二烷基硫酸钠0.7g，并将称量的各组物质分别溶解在适量的去离子水中配制成溶液，备用；

2）依次将步骤1）制备的十二烷基硫酸钠溶液、氨基磺酸镍溶液和氯化铵溶液边搅拌边加入到硼酸溶液中，备用；

3）向步骤2）制备的混合溶液中加入去离子水，使混合溶液的体积达到1L，混合均匀即制得镀液。

使用该镀液电镀时，每升镀液中需要添加40g脱脂除油处理过的立方氮化硼粉体，镀膜完成后，通过XRD及SEM扫描分析：镀层的薄膜较均匀，立方氮化硼颗粒分布相对均匀，表面有少量的立方氮化硼颗粒团聚现象，颗粒镶嵌较为牢固，表面没有颗粒脱落现象。在500μm²的面积内观察，没有发现团聚点，立方氮化硼颗粒数247个。