分析了熱蒸發(fā)、濺射和脈沖激光沉積三種鍍膜技術(shù)鍍金屬薄膜的性能特點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道數(shù)據(jù)，研究了三種鍍膜技術(shù)鍍金屬薄膜的成膜機(jī)理、晶格參數(shù)、膜力學(xué)性能的差別。脈沖激光沉積鍍膜易按層與層疊加方式成膜，薄膜應(yīng)力小，缺陷少，晶格尺寸大，而熱蒸發(fā)和濺射鍍膜多按三維島式生長(zhǎng)成膜，薄膜應(yīng)力較大，因應(yīng)力誘發(fā)較多缺陷與位錯(cuò)，晶格尺寸相對(duì)要小。脈沖激光沉積粒子能量高，能夠?qū)崿F(xiàn)氫化物一步成膜，薄膜性能更佳。脈沖激光沉積技術(shù)更有利于制備聚變應(yīng)用的金屬氫化物薄膜。

　　氫能源是人類未來賴以生存的能量來源，氚和氘是聚變能開發(fā)利用的燃料，也是產(chǎn)生中子源的材料。儲(chǔ)氫材料(金屬及其合金氫化物)，長(zhǎng)期以來一直是研究的熱門領(lǐng)域。金屬薄膜及其氫化物薄膜在核能開發(fā)、核材料制備、中子發(fā)生器研制、高效催化劑與新材料的研究等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。金屬鉺、鈦、鋯等的氫化物(氘化物、氚化物)，具有較低的氫平衡壓、較高的儲(chǔ)氫容量，常被用于制造中子發(fā)生器與中子管，即一定厚度的氫化物薄膜附著在基材之上，提供離子源或作為產(chǎn)生(D，T)或(D，D)聚變的靶。而氫化物薄膜又是金屬薄膜經(jīng)過吸氫氫化而來，金屬薄膜(氫化物薄膜)的制作工藝、膜的性能、膜生長(zhǎng)機(jī)理、膜微觀結(jié)構(gòu)與組織形態(tài)及膜與氫的相互作用行為決定著氫化物薄膜的性能與品質(zhì)，同時(shí)決定了中子發(fā)生器與中子管的性能、穩(wěn)定性、可靠性及壽命。

　　熱蒸發(fā)(包括電子槍和電阻)沉積、濺射沉積和脈沖激光沉積(PLD)三種技術(shù)都廣泛用于研制金屬薄膜。但由于三種沉積技術(shù)因成膜速率和沉積粒子能量的不同，導(dǎo)致薄膜成膜機(jī)理和膜性能產(chǎn)生較大差別。熱蒸發(fā)沉積和濺射沉積的成膜速率高，粒子

　　能量低，薄膜多按三維島式生長(zhǎng)，在島-島界面存在孔洞和堆垛位錯(cuò)，薄膜的應(yīng)力較大。PLD成膜速率低，而粒子能量高，所鍍薄膜則易按層-層疊加方式生長(zhǎng)，薄膜應(yīng)力小。對(duì)于制備金屬氫化物薄膜，PLD具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，層-層疊加方式生長(zhǎng)的薄膜，薄膜的粘附力強(qiáng)，應(yīng)力小，薄膜的使用性能更好。

1、熱蒸發(fā)、濺射和PLD制備金屬薄膜的技術(shù)特點(diǎn)

　　熱蒸發(fā)、濺射和PLD三種技術(shù)對(duì)靶材料蒸發(fā)方式的不同，致使三種鍍膜技術(shù)具有各自的技術(shù)特點(diǎn)，也對(duì)薄膜的性能產(chǎn)生不同影響。

　　熱蒸發(fā)是在真空條件下，通過對(duì)靶材料進(jìn)行加熱，使靶材料受熱蒸發(fā)，蒸發(fā)粒子不帶電，能量通常小于1eV，沉積的薄膜為多孔的柱狀結(jié)構(gòu)。

　　濺射鍍膜是通過荷能粒子轟擊靶材料，使靶材料原子濺射出來，然后在底襯上沉積成膜。濺射沉積粒子能量通常為幾個(gè)電子伏特，沉積的薄膜致密牢固，柱狀結(jié)構(gòu)得到抑制，但在薄膜中會(huì)含有一定量的轟擊粒子物質(zhì)(氦等)。

　　PLD通過高能激光轟擊靶材料，使靶材料近表面層在納秒或飛秒時(shí)間范圍內(nèi)燒蝕，蒸發(fā)為等離子體羽輝，然后在底襯上沉積為膜。以KrF脈沖激光為例(波長(zhǎng)248nm)，一次脈寬為30ns的脈沖激光，可以使深度在10～20nm的金屬原子受熱激發(fā)成等離子體羽輝，并在激光的加熱下，等離子體羽輝的最高溫度可達(dá)10000K，在激光脈沖結(jié)束時(shí)，等離子體羽輝的溫度在4000～5000K之間。等離子體羽輝組成復(fù)雜，由原子、離子、電子、原子與離子團(tuán)簇等組成，粒子速率可達(dá)105cm/s量級(jí)，平均粒子能量約為100eV。粒子能量與激光的能量密度密切相關(guān)，并對(duì)金屬薄膜的生長(zhǎng)及膜的性能產(chǎn)生重大影響。

　　從沉積成膜速率看，熱蒸發(fā)沉積成膜速率最高，電阻蒸發(fā)鍍膜速率一般為5nm/s，濺射沉積的成膜速率為每秒零點(diǎn)幾納米。PLD的成膜速率最慢，為每次脈沖0.0001～0.05nm，按最大脈沖頻率(50Hz)計(jì)算，成膜速率一般不超過0.1nm/s。在膜層組成上，PLD所鍍薄膜純度高，無雜質(zhì)污染，并與靶具有相同的成分組成，具有很高的保成分組成的性能。而熱蒸發(fā)鍍膜易受蒸發(fā)源材質(zhì)的污染，濺射鍍膜也會(huì)引入轟擊粒子物質(zhì)。因蒸發(fā)溫度與濺射閾值的不同，熱蒸發(fā)與濺射鍍膜易產(chǎn)生成分的分餾，使膜層的成分與靶的成分產(chǎn)生差異。

4、三種鍍膜技術(shù)在制備氫化物薄膜中的應(yīng)用

　　目前，制備氫化物薄膜一般采用濺射和熱蒸發(fā)(包括電阻鍍膜和電子槍鍍膜)兩種技術(shù)，先制成一定厚度的金屬薄膜，然后將薄膜加熱到一定溫度(一般250～400℃)，經(jīng)過吸氫制成氫化物膜，即氫化物薄膜的制備由鍍膜和氫化兩步工藝組成。金屬薄膜在吸氫過程中，因?yàn)榇嬖谙嗟淖兓�，金屬由bcc或Hcp結(jié)構(gòu)變成氫化物的fcc結(jié)構(gòu)，晶格發(fā)生膨脹，導(dǎo)致氫化物膜產(chǎn)生腫脹，不僅降低膜的力學(xué)性能，而且還會(huì)削弱膜與基材之間的粘附能力。以氫鈦體系為例，鈦膜吸氫后體積膨脹率超過15%。電子束蒸發(fā)制備的LaMg2Ni合金薄膜氫化前后表面形貌分析也證實(shí)，薄膜氫化前表面連續(xù)平整，而在氫化后，薄膜表面變得凹凸不平，并有顆粒團(tuán)聚的現(xiàn)象，是由于薄膜吸氫后體積膨脹所造成的。

　　其次，對(duì)于金屬氚化物膜，因氚衰變產(chǎn)生的氦(3He)在氚化物膜中集聚并緩慢釋放，當(dāng)3He量達(dá)到某一臨界值后，3He釋放速率呈數(shù)量級(jí)增加，同時(shí)，3He也會(huì)引起氚化物晶格再次發(fā)生腫脹，在氚靶時(shí)效的最初3個(gè)月內(nèi)，因3He的產(chǎn)生又會(huì)引起氚化鈦晶格體積至少膨脹10%，氫化和3He引發(fā)的雙重膨脹必然會(huì)導(dǎo)致氚化物薄膜與基材之間的粘附能力大大降低。

　　PLD鍍膜技術(shù)在成膜機(jī)理與薄膜性能方面所具有的不同于熱蒸發(fā)和濺射兩種鍍膜技術(shù)的特性，使其在氫化物薄膜制備中具備潛在的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。利用PLD背景氣氛鍍膜控制技術(shù)，以氫氣作為反應(yīng)氣體，氫氣與金屬等離子體羽輝中的高能粒子在氣相中先反應(yīng)形成金屬氫化物，然后在基材上成膜，變成氫化物薄膜，即氫化和鍍膜一步完成。這樣可以消除金屬膜在氫化過程中因晶格膨脹而引起的膜性能降低，增強(qiáng)了膜與基體的粘附能力，最大幅度提高薄膜的使用性能。

　　因PLD制成的膜的晶格尺寸比熱蒸發(fā)沉積鍍膜和濺射鍍膜所制成的膜的晶格尺寸大，如果制備氚化物膜，應(yīng)用PLD技術(shù)更加有利，更有利于薄膜固氦，減少氦的釋放。因?yàn)�，晶格尺寸越大，不僅氚化物的穩(wěn)定性增強(qiáng)，而且晶胞中能夠捕陷更多的間隙氦原子，使氚化物膜的固氦能力增大。

　　PLD制成的膜具有較小的應(yīng)力與較少的缺陷，而且應(yīng)力還可進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了薄膜的力學(xué)性能，薄膜的穩(wěn)定性與牢固性，可以增強(qiáng)薄膜抗環(huán)境影響的能力，對(duì)于制備用作(D，T)或(D，D)反應(yīng)的密封中子管靶材料，PLD制成的氫化物薄膜無疑具有更大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

5、展望

　　熱蒸發(fā)、濺射和PLD三種鍍膜技術(shù)在技術(shù)性能上的差別，決定了成膜機(jī)理與薄膜性能方面產(chǎn)生差異，導(dǎo)致它們的應(yīng)用也有所不同，尤其在金屬氫化物薄膜的研制方面。PLD的氣相沉積粒子能量高，H2反應(yīng)沉積可望實(shí)現(xiàn)金屬氫化與氫化物一步成膜，能夠消除傳統(tǒng)技術(shù)制備的金屬膜在氫化過程中因晶格膨脹而引起的膜性能降低。加之，層-層疊加的薄膜生長(zhǎng)方式，使得薄膜具有更好的膜層結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)及更佳的力學(xué)性能，薄膜應(yīng)力小，缺陷少，晶格尺寸大，薄膜與基體的粘附能力、穩(wěn)定性及固氦能力強(qiáng)，對(duì)于研制純度要求高，使用環(huán)境苛刻，薄膜綜合性能要求嚴(yán)苛的用作核靶的氫化物薄膜(氘化物與氚化物薄膜)，PLD鍍膜技術(shù)更具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。