磁控溅射钛钼多层膜与GD―OES表征

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[摘 要]采用磁控溅射镀膜技术在钼基片表面制备含镍保护层的钛钼多层膜，利用辉光放电光谱方法分析了多层膜元素深度分布，通过PVT法计算了多层膜吸氘量。结果表明：在镀膜功率为230 W，氩气工作分压为0.5 Pa，镀膜起始基片温度为20 ℃条件下，钛膜沉积速率较为稳定，为0.124 mg/cm-2？h；镀镍层有效阻止了多层膜表面的碳氧污染；多层膜在450 ℃下实现了快速吸氘，400 s内D/Ti比达到了1.85。

[关键词]磁控溅射；钛钼多层膜；吸氘性能；辉光放电光谱

中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）15-0012-02

中子管具有轻便、体积小、单色性好等优点，而且不用时可以关断，方便运输，是一种适合推广的中子源[1]。其中，氚靶[2]是氘氚中子发生器的关键部件，而靶特性是中子管的重要参数之一，直接影响中子管产额、寿命、稳定性等指标。钛是一种实用且广泛的中子管用氚靶材料，在金属底村上沉积形成薄膜，可以吸入高浓度的氚。传统的纯钛膜在吸入足量氚的情况下，会生成易碎相，并出现特有的“氢脆”现象[3]，严重影响材料的力学性能，使得氚靶在受到振动和冲击情况下发生掉粉现象，严重影响中子管性能。通过合金化可以得到室温稳定的钛氢化合物相，有效改善靶膜的吸氢力学性能[4]。纯钛膜在转移过程中很难避免暴露大气，容易造成碳氧污染，研究表明[5-6]，碳氧污染降低了氢在钛膜表面的吸附几率，使吸氢速率显著下降，并且明显影响了氢在膜内的分布。表面镀制Ni膜能有效阻止碳氧污染，极大提高钛膜的吸氢能力和氢在膜中分布的均匀性。Falabella S[7]等在钛膜表面镀制了一层Pd膜，实现100℃下吸氢，且氢钛比达到1.7。

磁控溅射法是真空镀膜技术之一，广泛应用于镀制钛金属膜和钛合金膜。为镀制带镍保护层钛钼合金膜，一般在镀膜机中同时安装一块固定成分比的钛钼合金靶和一块镍靶，利用钛钼合金靶在基片上溅射一层钛钼合金膜，然后利用镍靶在合金膜表面溅射一层保护性镍膜。若需要制备不同组分的钛钼合金膜，则需要更换相应的钛钼合金靶。本文采用磁控溅射镀膜技术，尝试在钼基片表面循环沉积钛钼多层膜，通过调节钛钼靶的溅射时间以控制膜中钛钼含量分布，最后在膜表面镀制一层保护性Ni层，通过热扩散使钛钼元素扩散均匀。采用辉光放电光谱（gd-oes）方法分析了多层膜吸氘前后各元素沿膜深度的分布。

1 实验

1.1 磁控溅射镀膜装置

钼基底样品尺寸为φ15 mm×1 mm，经砂纸逐级打磨至1000|并用无水乙醇超声波清洗。钼基底表面镀制钛钼多层膜以及镍层在大连齐维超高真空磁控溅射镀膜机上进行。本镀膜机为自建装置，其实物如图1所示。该装置具有四个靶位，分别为钛靶、镍靶、钼靶以及备用靶位。通过旋转样品盘，可将样品盘正对待镀靶位，实现多层膜的镀制。装置本底真空可达5×10-6 Pa，钼基片经过加热除气，预溅射后进行正式镀膜。氩气工作分压为0.5 Pa（Ti、Mo）以及3.0 Pa（Ni），氩气纯度为99.999%；靶功率150～300 W。

1.2 样品吸氘装置

吸氘装置如图2所示，主要由样品室、电阻加热炉、氘源、压力传感器10 000 Pa、真空泵等组成，该实验系统本底真空可达1×10-6 Pa。

装置在进行第一次吸氘实验前需进行体积标定，将标准容器（包含或不包含标准体积块）接在阀门V1处，记阀门V1～V4围成的管路容积为V1，样品室容积为V2，标准容器容积为Vs，通过PVT法可得到计量室体积VC（V1+Vs）为148.83 mL，样品室体积V2为139.22 mL。

将镀膜样品装入样品室，打开阀门抽真空，直到体系真空度优于5×10-6 Pa，打开温控仪进行程序升温，在450 ℃保温除气1小时后准备开始吸氘实验。

采取恒温吸氘方法[8]，维持样品室温度为450 ℃，关闭样品室阀门与抽真空阀门，往计量室放入一定压力的氘气，待平衡后，快速打开样品室阀门，使样品发生恒温吸氘反应，程序自动记录氘气压力随时间变化的数据，待系统压力稳定后设置温控仪进行台阶式降温，在300 ℃下保温1 h后随炉冷却至室温。

吸氘量可通过PVT法计算得到，记录室温下计量室内充入的氘气压力为Pi，冷却至室温后，氘气压力为Pt ，则有：

其中，Tr为室温，R为气体常数，Δm（Ti）为钛增重。

1.3 分析方法

辉光放电光谱（Glow Discharge Optical Emission Spectrometry， GDOES）是材料表面成分分析的常用方法之一，具有稳定性好、谱线分辨率高、背景小、干扰少，可逐层取样等优点。在分析过程中，样品原子逐层剥离，光谱信息反映剥离原子的化学组成，随着过程的进行，可由表及里分析材料元素沿深度的分布[9]。本文采用法国Horbia Profiler2射频辉光放电光谱仪分析镀膜样品元素成分沿深度分布规律，仪器氩气压力为630 Pa，激发功率为30 W，采样频率为0.1 s/point。

2 结果与讨论

2.1 纯钛膜溅射速率与元素深度分布

2.2 纯钛膜溅射功率

纯钛膜沉积质量随镀膜时间的关系如图3所示。镀膜参数功率为230 W，氩气工作分压为0.5 Pa，镀膜起始基片温度为20 ℃，镀膜时间分别为3.0 h、6.0 h和13.0 h。从图4可以看出，在上述镀膜参数条件下，钛膜沉积速率较为稳定，为0.124 mg/cm-2？h。

图4为上述镀膜参数下镀制3 h纯钛膜元素深度分布的GD-OES分析图。可看出，钛膜与钼基片过渡层厚度约为380 nm，膜层钛原子百分比高于99 %，钛膜表层约200 nm处有明显的碳氧污染，在100 nm处氧含量高达4 at%，碳含量为2 at%。由于钛是一种活泼金属，在大气中容易与碳氧作用而在表面形成氧化佑胩嘉附层。

2.2 钛钼多层膜元素深度分布与吸氘性能

采用多靶交替溅射方式，在钼基片上交替镀制了8层钛和7层钼，最后在表面镀制保护性镍层。镀膜参数如表1所示。多层膜元素深度分布的GD-OES分析如图5所示。可以看出，靠近表层，钛钼间分层明显，沿深度方向，钼元素含量呈现衰减波式分布，钛钼原子比约为9∶1；表面镀镍层厚度约为100nm，表面碳氧元素主要分布在镀镍层，镀镍层中，氧含量低于2 at%，碳含量低于0.7 at%，钛钼层中未见氧分布，而且碳含量低于1.0 at%。与图4比较，说明镀镍层有效阻止了钛膜表面碳氧污染。

多层膜在450 ℃下吸氘的p-t曲线如图6所示，由2.1可知，固定镀膜参数条件下，钛膜沉积速率较为稳定，多层膜中钛原子增重可由沉积速率与有效沉积时间相乘得到。从图6可以看出，在450 ℃的吸氘温度以及3666 Pa的初始吸氘压力下，多层膜实现了快速吸氘，400 s内完成吸氘，由式（1）―（3）计算，D/Ti比为1.85。

3 结论

本文采用的磁控溅射镀膜机沉积速率稳定，在溅射功率为230 W、氩气分压为0.5 Pa的溅射条件下，溅射速率为0.124 mg/cm-2？h。采用多靶交替溅射方式在钼基片上镀制了含镍保护层的钛钼多层膜，在450 ℃以及3666 Pa的初始吸氘压力下实现了快速吸氘，400 s内D/Ti比达到了1.85。辉光放电光谱分析表明纯钛膜表面容易吸附碳氧杂质，而表面镀镍层能够有效阻止钛膜表面的碳氧污染。

参考文献：

[1] 萄腔.中子管的研究进展及应用[J].核电子学与探测技术，2008， 28（6）：1134-1139.

[2] 罗顺忠，杨本福，龙兴贵.中子发生器用氚靶的研究进展[J].原子能科学技术，2002，36（5）：290-296.

[3] 朱逢吾，翁军.金属间化合物脆性研究中的若干物理问题[J].物理， 1997（7）：407-412.

[4] 施立群，周筑颖，赵国庆.Ti-Mo合金薄膜的储氢特性和抗氢脆能力[J]. 金属学报，2000，36（5）：530-534.

[5] 施立群，周筑颖，赵国庆，等.表面Cu、Ni镀层对钛薄膜吸放氢的影响[C] 全国固体薄膜学术会议.2000.

[6] 张强基，傅希涌，漆其鸿，等.钯对钛膜吸氢能力的抗污染作用的研究[J].真空科学与技术学报，1997（6）：394-399.

[7] Falabella S， Tang V， Ellsworth J L， et al. Protective overcoatings on thin-film titanium targets for neutron generators[J].Nuclear Instruments & Methods in Physics Research，2014，736（2）：107-111.

[8] 刘文科，曹小华，彭述明，等.钛膜表面氧化层对吸氘性能的影响[J].同位素，2004，17（2）：90-92.

[9] 余兴.辉光放电光谱法在深度分析上的应用现状[J].中国无机分析化学，2011，01（1）：53-60.

[10] 余卫华，李江文，于录军，等.辉光深度定量分析模型中的缺陷和解决方法[J].冶金分析，2015，35（1）：1-5.

作者简介：

刘城淋（1992―），男，江西龙南人，硕士研究生，核燃料循环与材料