氘化及氦离子注入对钪膜的表面形貌和相结构的影响-论文.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61，No．17(2012)176106氘化及氦离子注入对钪膜的表面形貌和相结构的影响术彭述明)申华海2)龙兴贵)周晓松)杨莉2)祖小涛2)十1)(中国工程物理研究院核物理与化学研究所，绵阳621900)2)(电子科技大学物理电子学院，成都610054)(2011年6月2目收到；2011年7月25曰收到修改稿)采用XRD，SEM，AFM等详细研究了氘化及氦离子注入对钪膜的表面形貌和相结构的影响．结果表明，在单晶硅及抛光Mo基片上制备的钪膜均具有(002)晶面择优取向；钪膜氘化后表面会出现大量

2、孔洞，氘化后氘化钪(ScD2)晶粒长大，但内部会残留少量未完全氘化反应的晶粒尺寸较小的ScDo3a／Sc晶粒；氦离子注入对钪及氘化钪的表面形貌没有明显影响，离子注入的氦将在钪及氘化钪晶格中聚集成泡，导致氦离子注入层中的钪及氘化钪衍射峰向低角度偏移，并且氦泡的聚集具有择优取向性．关键词：钪膜，氘化，氦离子注入，表面形貌PACS：61．72．-y，61．72．Dd，81．15．一z，81．15．oj金属材料的吸氢过程为一相变过程，金属相到氢化物相的转变存在晶格体积膨胀现象，将导致吸1引言氢材料的变脆或粉化问题，严重影响吸氢材料的力中子管

3、已广泛应用于军事及能源工业中，其产学性能[4]．氦离子注入作为一种非平衡方式能在材生中子的原理在于氘与氚能在特定条件下发生核料中快速引入氦，以此模拟研究氚衰变产生的氦在聚变反应，因而储氚材料是中子管的核心部件之储氚材料中的演化行为[516】，以及反应堆第一壁材一【1J

4、钪由于其饱和吸氢及其同位素量大，吸氢量料辐照损伤现象[7]，该方法受到极大重视．由于钪最大可达到三倍金属基体原子【2]'并且其氢化物在核能工业中的重要应用价值，并且国内外对钪的的热稳定性较高，即氢化物相解析氢转变为金属相关研究工作还较少【8，9l，因此有必要对钪的各种

5、相的温度较高，该特性对延长中子管寿命具有极其性能进行系统研究．为了了解钪膜的氘化行为和氦重要的作用，因而钪被作为储氚候选材料受到广大离子注入对钪膜的影响，本工作详细研究了氘化前研究学者的极大关注．氚具有放射性，其衰变产生后及氦离子注入前后钪膜的表面形貌和物相结构的aHe为惰性气体元素，它不与基体元素相结合，的变化．随着时间的推移产生的0He将聚集成泡，当3He浓度达到一临界值时0He将快速释放，该临界值称为2实验临界释放系数，释放出的0He将降低中子管内真空度．钪作为储氚候选材料的另一重要因素是其该临钪膜样品采用电子束蒸发沉积镀膜法

6、制备，靶界释放系数较高，值为0．17[3]．材钪的纯度为99．99％，本工作所测试样品列表及详国家自然科学基金委员会一中国工程物理研究院联合基金(批准号：10976007)，国家自然科学基金(批准号：50871106)和中国工程物理研究院科学技术发展基金(批准号：2009A0301015)资助的课题．十E—mail：xtzu@uestc．edu．cn④2012中国物理学会ChinesePhysicalSociety￡：／／wulixb．hy．ac，cn物理学报ActaPhys．Sin．~o1．61，No．17(2012)176106

7、度分布范围分别为4409nm和390nm，深度分布范可知，氦离子注入层中的钪及氘化钪的晶面间距受围与膜厚的比值为8．85％．分峰处理结果(表4)中氦泡聚集影响出现了不同程度的增大，以致Peakl的Peakl对应于氦离子注入层中钪及氘化钪衍射的衍射角低于Peak2的衍射角，这与氚化物中由氚峰，而Peak2对应于不含氦的区域中的钪及氘化钪衰变产生的氦的聚集导致的峰位向低角度偏移的的衍射峰，对比Peakl和Peak2对应的各晶面间距结论相同[14]．表4钪(5孝，6)膜及氘化钪(13群)膜晶面衍射峰分峰处理结果黑图8氦离子注入钪(6，6社

8、)及氘化钪(13)膜后的XRD相结构176106．5物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61，No．17(2012)176106集的主要原因．Snow等[15]报道Er(D，T)2_x3He。中氦泡沿着Er(D，T)2一的(111)晶面择优生长，原因在于(111)晶面间距最大，晶面问电子密度最低，0He更容易在该晶面聚集成泡及沿着该方向长大．氦泡的形状与取向还需进一步透射电镜(TEM)下观察所得．4结论1．采用电子束蒸发沉积法在单晶硅及抛光Mo基片上制备出的钪膜结构致密，且均具有(002)晶面择优取向，单晶硅基片上获得的钪膜的

9、(002)晶图9氘化钪(13)膜(200)晶面衍射峰分峰处理面择优取向可能是由于钪膜的外延生长所致：2．钪膜氘化后表面出现由于晶格膨胀和晶粒由表4还可得知，6，5和13#样品的(100)，脱落导致的大量孔洞，均方根粗糙度增大13．9％