含氦钛膜的制备、表征及退火行为研究

摘要

金属中的氦行为研究是涉及许多关键领域的重要课题，而在进行氦行为的研究时必须首先进行氦的引入。通常的氦离子注入会引发严重的晶格损伤；氚衰变和中子辐照则因为半衰期太长和实验设备安全防护等原因不易于实验室操作。为此，本文提出金属薄膜中引入氦的新方法----直流磁控溅射制备含氦薄膜。围绕含氦钛膜的制备、表征及氦泡的热生长行为，论文的研究工作可归纳成下列几方面： (1)在氦-氩混合气体中进行直流磁控溅射沉积，可制备含氦量可控、体分布均匀、低晶格损伤的含氦钛膜。其中氩作为溅射靶原子的入射离子，用于沉积薄膜和维持放电，随后的热脱附分析没有发现氩的明显掺入。氦引入的物理过程有两部分贡献来源：一为入射阴极靶表面的氦离子背向散射后，以中性粒子穿越等离子体区并注入到生长的膜中，一为等离子体中的氦离子受阳极鞘层偏压作用以亚阈值能量注入。偏压改变时，氦引入量变化不大，表明背向散射的中性氦粒子被薄膜捕获为主。 薄膜中的氦含量与沉积工艺中的氦分压、基片温度及偏压、具体材料种类等因素有关。通过改变混合工作气体中的氦分压强，可较好地控制放电气体中氦离子密度的份额，实现宽浓度范围(氦钛原子比：0到49at．％)的氦引入。轰击薄膜的氦粒子能量可控制在100电子伏特左右，接近损伤阈值能量，因此薄膜的损伤很小，这与keV能量的氦离子注入引起的薄膜严重损伤情况完全不同。 (2)结合离子束分析、X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、正电子湮灭、热脱附谱等技术对含氦钛膜进行了系统表征，结果显示：随薄膜含氦量的增加，晶格点阵参数增大，X射线衍射峰宽化，薄膜晶粒细化，无序程度增加；掺入一定量氦以后薄膜表面有均匀分布的鼓泡形成，尺寸30～40nm，没有破裂现象，当膜内引入的氦量增加到49．at％时，表面的凸起变得细小密集，少量鼓泡开始破裂。 取决于含氦量，溅射制备的样品中氦有间隙团簇、氦一空位复合体、不同尺寸氦泡等多种状态。氦进入薄膜后优先占据原有的空位，氦泡形核后通过吸收氦原子，以冲出位错环模式进行缓慢生长，当氦泡密度增加到一定程度时，氦泡之间的合并形成了大尺寸的氦泡。低含氦量下，多为晶界高密度小氦泡和晶内氦一空位复合体形式，并在高温区释放；中等含量下，氦泡密度增加，小氦泡合并生成部分大氦泡，在中等温度区以不同的起始温度释放；高含氦量下，氦泡平均尺寸增大，高密度的大氦泡和小氦泡共存，小氦泡连结成线或者聚集成簇，表面区域氦泡破裂增强，在低温下就开始大量释放。 (3)本文还首次采用氦的热脱附谱和正电子湮灭的多普勒展宽技术研究等时(1小时)退火后的氦泡状态。离子束分析方法测定了氦滞留量：低于973K温度的退火，绝大部分氦被氦泡束缚，无明显释放；高于973K退火后，氦的滞留量大幅降低。 分析退火过程中氦泡的生长动力学机制认为，低于700K温度退火时，氦泡主要通过吸收热空位和间隙的游离氦原子，以冲出位错环机制(舒解内部气体压强)缓慢生长，释放温度变化不大，位错环还抑制氦的释放；中间退火温度下，主要以氦泡的迁移和合并机制生长，控制过程为钛原子的表面扩散，热脱附显示大小氦泡共存，但没有氦的大量释放。在973K退火后，小氦泡基本消失，全部以大氦泡存在，并部分释放。高于973K时，Ostwald熟化机制占主导，热空位被大量激发，小泡溶解，然后被大的氦泡捕获，大氦泡迅速生成后开始破裂伴随大的释放，因此只遗留下部分小的氦泡。Ostwald熟化机制的控制过程为氦原子的解离和空位增强的扩散过程。 (4)对单能和多能氦离子注入的热脱附发现，注入诱发的高浓度空位同时捕获了氦原子，几乎没有氦原子处于间隙自由态。溅射制备的含氦样品的热脱附谱显示有一定量的间隙氦原子存在，氦致晶格损伤的程度远低于离子注入情况，这为排除材料损伤的影响、较单纯地研究材料中的氦行为机理提供了条件。 溅射引氦方法比离子注入引入的氦原子更接近氚衰变产生的氦原子的存在及演化行为，可用于模拟储氚金属中由于氚衰变而产生的氦累积对材料的影响，这可避免氚衰变产生氦所需的长实验周期。 氦的释放与晶格状态、氦的存在形式有关，释放特征与通常的离子注入不同。溅射掺氦不同含量后，结合退火、热脱附谱以及其他表征手段，可为快速评价新型材料的固氦性能(抑制氦成泡释放)和抗氦脆能力提供重要依据。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：索引

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前言

第一章综述

§1.1金属氚化物中的氦特性研究

§1.2氦离子注入材料后的成泡行为

§1.3中子辐照不锈钢中的氦脆问题研究

§1.4本文的工作

参考文献

第二章实验方法

§2.1离子束分析方法(IBA)

§2.1.1背散射分析

§2.1.2弹性反冲探测(ERD)

§2.2氦的热脱附谱(TDS)

§2.3正电子湮灭技术(PAT)

参考文献

第三章 氦氩混合气体磁控溅射制备含氦钛膜

§3.1磁控溅射技术介绍

§3.2 He-Ar混合气体进行直流磁控溅射制备含氦钛膜

§3.3不同工艺条件下制备的钛膜中的He含量测定

§3.4溅射过程的理论分析

§3.4.1单种气体溅射制膜中的气体掺入现象回顾*

§3.4.2 He-Ar混合气体磁控溅射制膜中的He掺入过程分析

§3.5小结

参考文献

第四章含氦钛膜的分析表征

§4.1 X射线衍射(XRD)

§4.2扫描电镜分析(SEM)

§4.3透射电镜分析(TEM)

§4.4含氦Ti膜的热脱附谱

§4.4.1溅射掺氦Ti膜的热氦脱附

§4.4.2氦离子注入Ti膜的热氦脱附

§4.4.3氚化钛膜老化样品的热氦脱附

§4.5 Ti膜的正电子湮灭辐射谱测量

§4.6小结

参考文献

第五章含氦钛膜的退火行为研究

§5.1几种氦泡生长的机制

§5.2含氦Ti膜的退火研究

§5.3小结

参考文献

第六章总结和展望

致谢

攻读博士学位期间学术活动状况