sc膜的(002)择优生长机制研究

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1、吴清英助理研究员0816．2497407Email：wuqingying1985@yahoo．cnSc膜的(002)择优生长机制研究钪是位于周期表中第四周期第1IIB族的稀土元素，由于富含钪的矿物稀少，使得钪及其化合物的价格昂贵，但由于钪及其化合物在冶金、化工、照明和发电、电子学和电工技术，尤其在能源和放射化学方面起到了举足轻重的作用，白20世纪以来，对钪的相关性能的研究受到了越来越多的研究者的青睐和重视，其中，对Sc膜的研究尤其重要。通过对不同工艺条件下制备的Sc膜微观结构进行分析后发现，在Mo衬底或Si衬底上制备的Sc膜均呈现出(002)织构；另外，多名研究人员发现，膜

2、材料中织构的出现将会很大程度地影响该材料的力学、电学等性能，作为储氢材料使用的膜材料，织构的出现也将会影响材料的吸氢性能、贮氦性能及其力学性能等。在本研究中，Sc膜主要作为储氢膜来使用，为了控制Sc膜的吸氢性能、力学性能，研究了Sc膜的结构及其生长机制。1实验实验用Sc膜是在高真空镀膜机上制备的，设备的额定功率约为30kW，设备示意图如图1所示，主要由高真空系统、衬底加热和测温系统、源加热蒸发系统、膜厚控制系统和水冷却系统等组成。蒸发源为99．95％的高纯Sc材料，衬底材料为Mo垄门(RMS：约为5-8nm)~HSi(111)(RMS：约为5rim)。在镀膜之前，首先对工件

3、盘进行750℃的高真空除气，再对盲牵留蒸发源在镀膜温度进行源除气，在源除气后，腔内真空度在1．5×10Pa左右。在镀膜结束后，已镀膜的底衬保温30min，腔内真空会降至10Pa数量级，膜厚为1～3pm。采用Panalytical公司的X’pertPROMPD分析了Sc膜的物相结构，并用扫描电子显微镜SEM(Apollo300)观真空系统察了sc膜的表面形貌。图1蒸发镀膜设备示意图2结果与讨论图2给出了不同衬底温度时Sc膜的XRD图谱。从图2可以看出，对于不同衬底材料(Mo，Si)上沉积的Sc膜，在膜与衬底未发生明显界面反应时，Sc膜(002)取向的衍射峰峰强最强，即Sc膜具

4、有(002)方向的择优生长，此时膜材料中大部分沿c轴生长的六方晶粒生长表面平行于衬底的基面¨，如图3所不。膜材料Sc与衬底Mo和Si的晶格失配度分别高达32．5％和16．7％，如此大的晶格失配度使得膜与衬底界面处的共格能失效，即在此晶格失配度存在的前提下，衬底材料对膜的择优取向是可以忽略不计(、■__—-·——的。另外，界面能仅对最初形成的数个原子层的形貌和结构起到较大的影响作用，而随着膜层厚度达到一定值后这种作用将会逐渐减弱直至消失。本研究中Sc膜样品的膜厚度为1-3gm，应属于厚膜的范畴，因此厚膜的界面能不应该是造成Sc膜出现织构的关键原因。那么，影响Sc膜生长及择优取

5、向的自由能应该是表面能kl和应变能或是二者中的其中一个占主导地位。@-SiA-Sc20304050《·070809020／(。1(a)Si，沉积速率5nm／s◆-fO△_Sc℃．5nm／s：0篆萎。．【℃，5nrn／s；I．I．I℃，s．III．203040506070809020／(。)(b)Mo，沉积速率5nm／s图2不同衬底温度下Sc膜的XRD图谱图3Mo衬底上Sc膜的表面形貌图(650℃，0．5nm／s)n、■·—·——Jian—MinZhang等人采用修订EAM势(MEAM)并基于式(1)计算了13种具有密排六方结构金属(Co，Dy，Er，Mg，Nd，S

6、c，Zr等)的表面能：±±圣!±圣丝(1)式中，l和Z／2分别为第，个原子层上周期性晶胞中第一、第二原子周围的最近邻原子数目；A为两个原子组成的晶胞的面积；P和P，：为电子密度；(『1)和：(，：)为势能函数。计算结果显示，在这13种金属中，f001)晶面的表面能最低，为1261．8ergs／cm。此外，Bao．QinFu等人采用经典的电子理论也计算了密排六方金属(hcp)各取向的表面能，同样得出其(001)晶面的表面能最低。对于金属Ti膜，这种表面能的各项异向性分别得到了实验和理论方面的证实。因此，若膜材料的择优生长受到表面能最小原理决定，那么Sc膜应该表现为(oo15织

7、构。由于膜材料Sc与衬底Mo和Si的热膨胀系数相差较大(So：10．Ox10-6，Mo：5．43x10，Si：4．2x10K)，在升温或降温过程中，材料中将存在一定大小的热应变。Jian．MinZhang基于EAM势计算了多种密排六方金属的各取向的应变能，结果发现：与具有hcp结构的金属材料的表面能不同，不同材料的最小应变能晶面是不同的。对于金属Sc来说，其(057)晶面的应变能密度最小，为2．015x10¨J／cm，而(001)晶面的应变能密度最大为2．457x10¨J／cm3。那么，在Sc膜的生长过程中，如果应