《強各向異性Be薄膜的晶粒細化和應力弛豫機制研究》是依託中國工程物理研究院雷射聚變研究中心，由羅炳池擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：強各向異性Be薄膜的晶粒細化和應力弛豫機制研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：羅炳池
- 依託單位：中國工程物理研究院雷射聚變研究中心
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在聚變能（IFE）實驗研究中，需要用到各向同性且低應力的Be薄膜材料。Be薄膜在生長過程中原子以hcp結構排列，晶粒c軸取向，以粗大柱狀晶為主，薄膜呈現強各向異性。另外，在薄膜製備過程中應力產生在所難免，它會引起薄膜變形和開裂，這些降低了Be薄膜力學性能和燒蝕特性，破壞了良好的衝擊波陣面形成，限制其在IFE中的套用。本項目基於經典形核理論，擬通過施加強磁場和超聲場來降低臨界形核尺寸和阻止晶粒外延生長，實現薄膜晶粒細化。結合薄膜原位退火和分級熱處理技術，藉助熱擴散來減少薄膜在非平衡生長過程中形成的缺陷和位錯，進而降低薄膜殘餘應力。深入研究Be粒子在基體上凝結、成核、長大的動力學過程，建立薄膜晶粒尺寸隨外場強度的函式關係，採用XRD-sin2ψ法表征薄膜殘餘應力，並揭示薄膜應力弛豫機制.
結題摘要
強各向異性Be薄膜因其原子序數低，X射線不透明性低等，常作為慣性約束聚變和高能量密度物的燒蝕靶材。在本項目三年的支持下，主要開展了Be基薄膜生長動力學、形態演化、晶粒細化、相組成、表面粗糙度、殘餘應力和電學性能等研究，並獲得了以下重要結果和新的認識： 蒸鍍Be薄膜的生長速率隨溫度呈指數增長，而濺射薄膜隨濺射功率呈線性增長。採用蒸鍍法與濺射法製備Be薄膜的沉積速率能夠任意調節，蒸發溫度1100℃對應磁控濺射47 W的沉積速率。不管制備方法，基片材質和工藝參數等，製備的Be薄膜均由hcp結構的α-Be相組成。兩者製備的Be薄膜微觀形態演化豐富多彩，在較低沉積速率下，兩者均以細小的等軸晶生長為主。 熱蒸發溫度在1050℃-1150℃，對應Si基片上的沉積速率為1.1-25.3 nm/min。而磁控濺射功率在20-240 W，它的沉積速率為1.5-30.3 nm/min。沉積速率1.4-25 nm/min，蒸鍍薄膜的晶粒尺寸從25 nm增加到270 nm，而磁控濺射法的可達340 nm，磁控濺射比蒸鍍法製備的薄膜晶粒尺寸略大。對比熱蒸發和磁控濺射製備的鈹薄膜，膜厚在130 nm-2570 nm範圍，兩者表面粗糙度相當。 採用四探針法測量了濺射Be靶材的電阻4.3×10-8 Ω.m，它比Be薄膜的電阻小30倍。主要原因是Be薄膜密度比塊體材料低，僅為塊體的94％-98％。因此，薄膜記憶體在缺陷和孔洞，增加了電子的散射。在超聲場和強磁場耦合下，分別實現了Be薄膜的晶粒細化。蒸鍍Be薄膜晶粒尺寸126 nm-130 nm，在超聲場場作用，晶粒尺寸減小至60 nm，降低了2倍。而在磁場作用下，晶粒尺寸為18 nm，降低了7倍。顯然，磁場晶粒細化比超聲晶粒細化更明顯。 當濺射氣壓在0.4-1.2 Pa時，Be薄膜的殘餘應力在69-559 MPa。襯底溫度在60℃-410℃，Be薄膜應力在-153 MPa至425 MPa之間。顯然，採取合適的濺射氣壓和襯底溫度（濺射氣壓在~0.4 Pa，襯底溫度130℃-200℃），能夠實現Be薄膜的應力弛豫。
