磁控溅射制备含氦钛膜及薄膜沉积蒙特卡罗模拟的研究.pdf

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1、DedieatedtomymotherandmyfetherTheygavemeUnders怕ndingandsuPPortallthetime.、月摘要由于金属中氦行为的研究涉及国防和能源领域的材料应用，一直受到各国研究者的关注。为了研究氦原子对材料宏观性能的影响，首先要探求将氦引入材料的方法。常见的金属氖化物、中子辐照、离子注入三种氦引入方法在安全、简单易于重复、需时较短、一定浓度及分布均匀性、对晶格损伤的需求方面都有比较大的缺陷。本研究小组提出了以氦氢混合气体为工作气体的直流磁控溅射方法来制备含氦钦膜，该方法实

2、验周期短，晶格损伤低，含氦样品体分布均匀，且氦引入量可控。本文在第一部分进一步研究了该种氦引入方法，在实验研究的基础上，重点从理论上研究了其引氦机制，建立了一宏观理论模型。即首先对目前两种基本的微观理论(背散射中性粒子理论和低能正离子理论)进行理论分析，结合本文溅射引He实验中采用的He一Ar混合气氛体系，通过对Hoffinan模型进行修正，计入低能正离子的部分，建立了该引氦方法的理论模型:认为该种引氦方法中引入的氦是由被靶散射后带有一定能量的氦中性粒子和负偏压下基底阳极鞘层附近的低能氦正离子注入共同组成的。利用该模

3、型对应实验参量进行了分析，发现理论和实验结果基本一致。本文还采用动力学蒙特卡罗方法模拟了二维薄膜沉积生长的过程，以为今后进一步从理论上弄清楚氦引入的微观机制，研究氦引入浓度与沉积参量的关系以及氦引入对薄膜生长微观结构的影响打下基础。对衬底温度、沉积能量和沉积速率对沉积薄膜的影响的模拟结果表明:衬底温度的升高有助于薄膜的致密性、空位填补和表面平坦;而沉积能量的抽样范围增加反而使得薄膜中的缺陷增多，这非常相似于氦引入过程中较高阂值能对材料的损伤现象，可见对沉积能量因素的考察对后续的研究具有一定的意义;另外，沉积速率的增加

4、使沉积薄膜内部的空洞增加，表面粗糙度更大，分析认为这是由于沉积速率增大使得薄膜原子能够扩散的时间相对减小从而扩散效率降低而致。由于相关研究与实际仍有较大差距，模拟过程仍待进一步改进和完善。关键词:氦，钦，磁控溅射，动力学蒙特卡罗模拟AbstfaCtAsresearchonheliumbebaviorin饰etals15relatedtothemateria]aPPlieationinthenationaldefenseandenergysoureeareas，ithasbeenalwaysconeemedbyworl

5、dwideresearchers.Toeanyouttheinvestigationintotheinflueneeofheliumonmaterial，5maeroPerformanee，weshouldfirstexPlorethemethodtointrodueeheliumintomaterial.Thetllreeeommonmethods，tritiumdeeay，neutronirradiationorionimPlantation，donotsatisfyoneasPeetofbeingsafe，s加

6、PleandavailabletorePeat，short一timeaPPlieable，ofuniformdistributionanddemandedeoneentrationoroflowerdamage.OurresearchgrouPPresentsamethodthathelium15ineorporatedintothegrowingTifilmbyDCmagnetronsPuteringinmixtUreofworkinggasesofheliumandargon，whiehsuitsmostofth

7、eabovedemandandinWhichthequantityofheliumeanbeeontrolled.ThisthesisinthefirstPartfurtherstudiesthemagnetrondePositionmethodonthebasisofexPeriments.ByemPhasisonthetheoretiealheliumintroduetionmeehanism，thisthesisfoundsamaero一theoreticalmodel，that15:aceordingtoth

8、eHe一ArmixturesystemintheexPeriment，twobasiemiero一theories(BaekseateringNeutralsTheory，BSNTandLowEnergyPositiveIonsTheory，LEPIT)areeombinedtoanewmodelthroughaddingtheheliumio