一种基于含氦W基纳米晶薄膜材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种含氦W基纳米晶薄膜材料的制备方法，即首次采用磁控溅射的方法在He/Ar混合气氛中将W基靶材进行溅射、沉积，从而在衬底上实现含氦W基纳米晶薄膜材料的制备。本制备方法可有效克服传统粉末冶金等方法制备的W基块体晶粒粗大的问题，实现具有纳米量级晶粒尺寸的W基样品的制备，有效克服了传统方法中使用加速器注入He时由于材料表面温度升高引起的温度不可控、氦原子在材料表面深度方向分布不均匀等问题,实现了He原子在W基材料中均匀、可控地注入。

权利要求

1.一种含氦W基纳米晶薄膜材料的制备方法，采用射频磁控溅射的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：对W基靶材进行表面处理，去除表面金属氧化物和杂质；

步骤二：将衬底用酒精和丙酮混合溶液进行超声清洗，最后用去离子水冲洗，烘干；

步骤三：将步骤一中所述的W基靶材安装到磁控溅射的永磁靶或者电磁靶上，将步骤二中所述的衬底放在磁控溅射仪里面的基板上，抽真空至一定程度后通入氦气和氩气组成的混合气氛，通过调整合适的溅射功率和时间进行溅射沉积到衬底上，即得到所述含氦W基纳米晶薄膜；

步骤一中的W基靶材是纯W靶或者W合金靶，厚度为0.1mm-5mm；

步骤二中的衬底为单晶Si片、陶瓷衬底、石英衬底或者W衬底或Mo衬底；

步骤三中的溅射气氛为He/Ar混合气体，He/Ar混合气体的总气压为0.1Pa-5Pa，He/Ar气压比为0.1-10；

步骤三中的溅射时间为0.5-10h；

步骤三中衬底的沉积温度为常温-600℃，溅射功率为50-150W。

2.根据权利要求1所述的一种含氦W基纳米晶薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述的含氦W基纳米晶薄膜材料的膜厚为10nm-100μm。

3.根据权利要求1所述的一种含氦W基纳米晶薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述的含氦W纳米晶薄膜材料的晶粒尺寸在1μm以下。

4.根据权利要求1所述的一种含氦W基纳米晶薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述的含氦W基纳米晶薄膜材料中成分靶原子和He原子，其中He原子与靶原子比为0-0.8。

说明书

一种基于含氦W基纳米晶薄膜材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种含氦金属基纳米晶薄膜材料的制备方法，尤其是一种含氦W基纳米晶薄膜材料的制备方法。

背景技术

[0002] 核能被认为是目前能够大规模替代化石能源、满足人们不断增长的电力需求、改善能源消费结构的理想能源。核聚变能主要是利用氢的同位素氘和氚在特殊条件下发生聚合反应从而释放出高能量粒子（中子和氦）的方式来获得能量，即2D + 3TÒ 4He（3  .5 MeV）+n0 （14  .1 MeV）。聚变反应堆中的材料，特别是面向等离子体的第一壁及偏滤器材料，除了受到高能量的中子辐照产生严重的点阵原子离位损伤外，聚变反应过程中所产生的浓度达10 15 appm He/dpa的氦易于扩散至材料内部并聚集形成氦泡，引起材料肿胀、起泡、硬~化、脆化、以及蠕变和疲劳等性能的降低，即“氦脆”现象。

[0003] 钨由于其高熔点、低溅射率、良好的机械性能以及低氚滞留等优点，一直被认为是未来核聚变反应堆面向等离子体第一壁材料的主要候选材料之一。但是，氦辐照钨过程中引起的氦脆问题比其它金属显得更为突出。其主要原因是：1) 氦原子穿过钨表面进入内部的势能垒仅为5 eV，导致了高能辐照的氦容易进入钨晶格内部；2) 氦在进入钨内部以后极其容易迁移；3) 钨原子在粒子辐照能量超过500 eV时容易发生离位损伤现象而产生大量空位和间隙钨原子，比其它金属更加容易形成氦原子-空位复合体和氦原子团簇。此外，纳米结构材料由于具有能够成为重要的辐照诱导缺陷阱的较高的位错密度和晶界体积比，已经展现出优异的抗辐照性能。因此，制备含氦的W基纳米晶材料对研究材料中He泡的形核长大和演变过程具有重要的意义。

[0004] 迄今为止，将氦原子引入到W材料里的方法有很多, 包括离子注入，氚衰变和中子辐照等。对于以上这些方法，它们有许多缺点。例如，虽然氦离子注入虽然能够引入可控的，定量的氦原子进入样品，但是它很难使氦原子在材料中均匀分布；对于氚衰变的方法，尽管它能均匀地将氦原子引入到材料里，但是实验过程需要一个很长的半衰期(大约12  .3年)；而中子辐照还会引起一系列辐照诱导损伤，从而使关于W中氦行为的研究实验变得复杂。

[0005] 磁控溅射是一种常用的制备薄膜的方法，这种方法通过在真空系统中通进少量惰性气体，放电产生惰性气体离子经阴极偏压加速后轰击阴极靶材，从而靶材原子被溅射到衬底上最后形成薄膜。现有制备的含氦铝或钛薄膜，釆用的都是直流磁控溅射方法。但是，直流磁控溅射只能溅射能够导电的靶材，对于氧化物弥散W和碳化物弥散W等W基靶材并不能使用直流磁控溅射制备方法。

[0006] 而射频磁控溅射方法应用的范围更加广泛，可以溅射几乎全部的固态靶材。目前，文献中未见到将射频磁控溅射用于W基薄膜材料的制备。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种He浓度可调、W晶粒尺度可控的含氦纳米晶钨基薄膜材料的制备方法，一方面可有效克服传统方法制备的W基块体晶粒粗大的问题，另一方面能够引入He浓度可控的，氦泡均匀分布的含氦W基纳米晶薄膜。

[0008] 本发明还提供了一种上述含氦W基纳米晶薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：

[0009] 步骤一：对W基靶材进行表面处理抛光，去除表面金属氧化物和油污，获得待溅射的靶材；

[0010] 步骤二：将单晶Si衬底、陶瓷片衬底、石英衬底或者其他金属衬底(例如W衬底或Mo衬底等)用酒精和丙酮混合溶液进行超声清洗，最后用去离子水冲洗，烘干；

[0011] 步骤三：将步骤一的W基靶安装到磁控溅射的永磁靶上，将步骤二的衬底放在磁控溅射仪里面的基板上，抽真空至一定程度通入He/Ar混合气氛进行溅射沉积一定时间，即得到所述含氦W基纳米晶薄膜材料。

[0012] 优选地，所述步骤一的W基靶材为W靶和W合金靶材(厚度为0 .1mm-5mm)。

[0013] 优选地，所述步骤二的有机溶剂为乙醇和丙酮，所述步骤二的衬底为单晶Si片、陶瓷衬底、石英衬底或者其他金属衬底(W衬底或Mo衬底)。

[0014] 优选地，所述步骤三的He/Ar混合气体的总气压为0  .1Pa-5Pa，He/Ar气压比为0 .1-10，溅射的时间为0 .5-50h；薄膜的厚度为10nm-100μm。

[0015] 优选地，所述制备的方法为射频磁控溅射法，其中，沉积温度为常温-600℃，须在He/Ar混合气体下进行；溅射功率为50-150W。

[0016] 本发明通过大量实验工作，首次将射频磁控溅射的方法应用于含氦W基纳米晶薄膜材料的制备中，能够将均匀浓度的He引入到W基材料中，特别适用于核聚变反应中研究W基材料的He脆问题，相比现有技术，具体优点如下：

[0017] 1  . 本发明公开的含氦W基纳米晶薄膜材料的制备方法可以制备晶粒尺寸在100nm以下的含氦W基薄膜，克服了传统方法制备的钨基块体晶粒粗大的问题。

[0018] 2  . 本发明公开的含氦W基纳米晶薄膜材料的制备方法克服了使用加速器注入He时由于材料表面温度升高引起的温度不可控、氦原子在材料表面深度方向分布不均匀等问题，可以制备出含He浓度均匀、较厚的纳米晶W基薄膜，更加有利于模拟研究钨中氦泡形成演化过程。

[0019] 3  . 本发明公开W基纳米晶薄膜材料的制备方法可以通过调节混合气氛中He的分压从而调控W基纳米晶薄膜中的He浓度，从而使He浓度实现可控的引入。

[0020] 4  .本发明公开的制备方法，其制备过程简单易操作，省时节能，高效安全，无需昂贵离子辐照设备，满足大规模样品研究的需要。

附图说明

[0021] 图1为本发明制备的含氦W纳米晶薄膜材料的示意图；

[0022] 图2为本发明制备的含氦W纳米晶薄膜材料表面形貌的扫描电镜照片；

[0023] 图3为本发明制备的含氦W纳米晶薄膜材料断面形貌的扫描电镜照片；

[0024] 图4为本发明制备的含氦W纳米晶薄膜材料的断面透射电镜照片。

具体实施方式

[0025] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0026] 实施例1

[0027] 本实施例提供了一种含氦W基纳米晶薄膜材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

[0028] 步骤一：对W靶进行表面处理（W靶的厚度为2mm），去除表面金属氧化物和杂质，获得待溅射的金属W靶；

[0029] 步骤二：将单晶Si衬底用酒精和丙酮混合溶液进行超声清洗，最后用去离子水冲洗，烘干；

[0030] 步骤三：将步骤一的W靶安装到磁控溅射的永磁靶上，将步骤二的衬底放在磁控溅射仪里面的基板上，抽真空至8×10-5Pa，通入He/Ar混合气氛进行溅射沉积5h，其中，He/Ar混合气体的总气压为2Pa、He/Ar气压比为5；单晶Si衬底的沉积温度为常温-600℃、溅射功率为100W，即得到所述含氦W基纳米晶薄膜材料。

[0031] 对本实施例所述方法获得的含氦W基纳米晶薄膜材料进行测试，具体为：

[0032] A、含氦W基纳米晶薄膜的表面形貌分析，对以纯W作为靶材，使用射频磁控溅射方法常温下制备含氦纳米晶薄膜材料对其表面形貌进行扫描电镜测量，结果如图2所示，图中可看出，经过沉积溅射后，含氦W纳米晶薄膜材料晶粒尺寸基本上都在100nm以下，有些接近10nm左右，通过统计计算得出其平均晶粒尺寸约为70nm，符合纳米晶材料的尺寸范围。

[0033] B、含氦W基纳米晶薄膜材料的断面形貌分析，对以纯W作为靶材，使用射频磁控溅射方法常温下制备含氦纳米晶薄膜材料对其断面进行扫描电镜测量，结果如图3所示，图中可看出，经过沉积溅射后，含氦W纳米晶薄膜材料晶体结构是典型的纳米柱状晶，薄膜厚度在10nm-100μm范围。

[0034] C、含氦W基纳米晶薄膜材料中氦泡的分布情况分析，测定步骤三的纳米晶薄膜材料，薄膜表面面对面对粘再磨薄至20μm以下，再进行离子减薄穿孔制作其断面透射样品，然后对其透射样品进行透射电镜观察测量后获得如图4所示的结果，图中可看出，经过沉积制备的含氦W纳米晶薄膜材料中氦泡的分布均匀，氦泡的平均尺寸约为1nm左右。

[0035] 实施例2

[0036] 本实施例提供了一种含氦W基纳米晶薄膜材料的制备方法，与实施例1相比，步骤2和步骤3的工艺参数相同，不同之处在于步骤1使用的W基靶材为W合金靶（氧化物弥散W或碳化物弥散W）。

[0037] 对本实施例所述方法获得的含氦W基纳米晶薄膜材料，按实施例1所述的方法进行测试，结果显示：

[0038] 含氦W基纳米晶薄膜材料的晶粒尺寸在100nm左右，符合纳米晶材料的尺寸范围；

[0039] 含氦W纳米晶薄膜材料的晶体结构是典型的纳米柱状晶，薄膜厚度在10nm-100μm范围。

[0040] 含氦W纳米晶薄膜材料中氦泡的分布均匀，氦泡的平均尺寸也约为1nm左右。

[0041] 实施例3

[0042] 本实施例提供了一种含氦W基纳米晶薄膜材料的制备方法，与实施例1相比，步骤1和步骤3的工艺参数相同，不同之处在于步骤2中的衬底为陶瓷衬底。

[0043] 对本实施例所述方法获得的含氦W基纳米晶薄膜材料，按实施例1所述的方法进行测试，结果显示：

[0044] 含氦W基纳米晶薄膜材料的晶粒尺寸在100nm左右，符合纳米晶材料的尺寸范围；

[0045] 含氦W纳米晶薄膜材料的晶体结构是典型的纳米柱状晶，薄膜厚度在10nm-100μm范围。

[0046] 含氦W纳米晶薄膜材料中氦泡的分布均匀，氦泡的平均尺寸也约为1nm左右。

[0047] 实施例4

[0048] 本实施例提供了一种含氦W基纳米晶薄膜材料的制备方法，与实施例1相比，步骤1和步骤3的工艺参数相同，不同之处在于步骤2中的衬底为石英衬底。

[0049] 对本实施例所述方法获得的含氦W基纳米晶薄膜材料，按实施例1所述的方法进行测试，结果显示：

[0050] 含氦W基纳米晶薄膜材料的晶粒尺寸在100nm左右，符合纳米晶材料的尺寸范围；

[0051] 含氦W纳米晶薄膜材料的晶体结构是典型的纳米柱状晶，薄膜厚度在10nm-100μm范围。

[0052] 含氦W纳米晶薄膜材料中氦泡的分布均匀，氦泡的平均尺寸也约为1nm左右。

[0053] 实施例5

[0054] 本实施例提供了一种含氦W基纳米晶薄膜材料的制备方法，与实施例1相比，步骤1和步骤3的工艺参数相同，不同之处在于步骤2中的衬底为W衬底。

[0055] 对本实施例所述方法获得的含氦W基纳米晶薄膜材料，按实施例1所述的方法进行测试，结果显示：

[0056] 含氦W基纳米晶薄膜材料的晶粒尺寸在100nm左右，符合纳米晶材料的尺寸范围；

[0057] 含氦W纳米晶薄膜材料的晶体结构是典型的纳米柱状晶，薄膜厚度在10nm-100μm范围。

[0058] 含氦W纳米晶薄膜材料中氦泡的分布均匀，氦泡的平均尺寸也约为1nm左右。

[0059] 实施例6

[0060] 本实施例提供了一种含氦W基纳米晶薄膜材料的制备方法，与实施例1相比，步骤1和步骤3的工艺参数相同，不同之处在于步骤2中的衬底为Mo衬底。

[0061] 对本实施例所述方法获得的含氦W基纳米晶薄膜材料，按实施例1所述的方法进行测试，结果显示：

[0062] 含氦W基纳米晶薄膜材料的晶粒尺寸在100nm左右，符合纳米晶材料的尺寸范围；

[0063] 含氦W纳米晶薄膜材料的晶体结构是典型的纳米柱状晶，薄膜厚度在10nm-100μm范围。

[0064] 含氦W纳米晶薄膜材料中氦泡的分布均匀，氦泡的平均尺寸也约为1nm左右。

[0065] 尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。