氘在C及C-Si射频溅射共沉积层中的滞留特性研究

摘要

核聚变等离子体与面壁材料之间存在复杂的相互作用，对第一壁材料有严格的多样要求，其中之一就是D、T在材料中的滞留量要低。而C碳材料因其独特良好性能，如低Z、高熔点(4043℃)、高热导、吸收截面小，与等离子体兼容性好，使碳材料成为一种十分有用的候选材料。而SiC材料具有良好的高温热导性、耐腐蚀、低密度，特别是辐照后低感生放射性等优点，使SiC晶体可工作在极端条件下（超高压、高温），如微电子光电材料，航天材料，核聚变面壁材料。
　　本论文开展了对核聚变第一壁材料C及C-Si共沉积层中D的滞留行为的实验研究。采用射频磁控溅射方法，以纯石墨(99.99％)和晶体硅(110)作为靶材料，纯D2作为溅射气体，在C、Si基底上进行共沉积。通过改变沉积气体压强、基底温度来研究不同实验条件下，D在共沉积层中的滞留行为和共沉积层的性质。研究的共沉积层薄膜样品分为2类:①以纯石墨为靶材，在C、Si基底上制备出含D的碳薄膜;②以纯石墨和晶体硅(110)为混合靶材，在C、Si基底上制备出含D碳硅薄膜。采用多种分析方法协同研究共沉积层的性质及D的滞留行为:离子束分析方法(RBS、ERD)测定样品的厚度和D的深度分布，Raman和FTIR分析薄膜分子结构，热脱附谱(TDS)方法分析含D的样品在基底中的脱附行为，以及扫描电子显微术(SEM)观察共沉积层的表面形貌特征。
　　结果表明，对于含D的碳薄膜，在沉积过程中，不论是在C基底还是Si基底上，随着共沉积气体的压强增大，薄膜的厚度增加，D的滞留量也急剧的增加;而随着基底温度增加，薄膜的厚度和D的滞流量都显著地减少。在含D的碳硅薄膜中，随着沉积气体压强增加，薄膜厚度和D的滞留量都在增加;当基底温度增加时，薄膜厚度减少，D的滞留量却出现缓慢地增加。分析认为，导致上述现象是由于Si在共沉积层中的相对含量随着压强的增加或基底温度增加缓慢的减少，从而使C/Si比增加，说明C对D的滞留起到主导作用。
　　对C基底上含D的碳硅薄膜进行Raman分析，低温时可观察到520 cm-1处Si的一阶横向声子峰（480 cm-1处伴有肩峰）和970 cm-1处微弱二阶声子模式峰的存在，它们分别对应Si在薄膜中的纳米多晶态和其被氢化的无定形状态。随着温度的增加，D峰与G峰的面积比减少，Si峰在逐渐的消失，这说明低温下沉积层为Si和C的纳米混合颗粒结构，而随温度的增加薄膜石墨化程度增加。我们还对含D的SiC薄膜外貌特进行了SEM表征，而对于多种其他面壁材料，对于D在共沉积层中的滞留和共沉积层的性质仍需进一步的研究。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 聚变反应堆面壁材料与等离子体的相互作用(PWI)

1．3 PFMs的性能要求和选择

1．4 C／Si-C材料在聚变中的应用

1．5 H在PFMs中的滞留

1．6 H同位素滞留的研究介绍

1．7 选题依据和研究内容

第二章 样品的制备方法和表征手段

2．1 样品的制备方法

2．1．1 磁控溅射技术介绍

2．1．2 制备条件

2．2 样品的表征

2．2．1 离子束分析方法(RBS、ERD)

2．2．2 热脱附谱(TDS)

2．2．3 拉曼光谱(Raman)和傅里叶变换红外显微光谱(FTIR)

2．2．5 扫描电子显微镜(SEM)

第三章 含D碳-硅薄膜的制备及D的滞留特性研究

3．1 引言

3．2 样品的制备

3．3 薄膜样品的结构分析

3．4 样品的成分和D滞留分析

3．5 薄膜样品的热脱附谱(TDS)

3．6 SEM观测结果

3．7 小结

第四章 含D的碳薄膜的制备和D的滞留研究

4．1 含D的碳膜样品的制备

4．2 离子束分析D的滞留

4．3 小结

第五章 总结和展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

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