雷潔紅

(西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院，四川南充637002)

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氫化鋰薄膜防水解技術(shù)的研究

雷潔紅

(西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院，四川南充637002)

運用磁控濺射方法濺射在貼有聚乙烯膜的硅片上沉積氫化鋰薄膜，并在氫化鋰薄膜的表面沉積不同厚度的鋁膜。采用x射線衍射和紅外光譜測試，分析研究了不同厚度鋁膜對防止氫化鋰薄膜分解所起的作用。研究結(jié)果表明，隨著鋁膜厚度的增加，氫化鋰薄膜與水或CO2反應(yīng)變質(zhì)的幾率越小，鋁膜厚度為55 nm時，樣品測試結(jié)果顯示鋁膜對氫化鋰薄膜起到了一定的保護作用，延緩了氫化鋰薄膜與空氣中水和CO2等雜質(zhì)的反應(yīng)。

鋁薄膜；氫化鋰薄膜；水解；磁控濺射

引言

氫化鋰薄膜由于其優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)(如在真空和惰性氣氛中相對穩(wěn)定，氫密度比液氫密度高40%，同位素6Li和7Li可以俘獲中子，發(fā)生核反應(yīng)生成氚，起到增值氚和屏蔽中子或中子減速劑的作用，對軟x射線短波具有高透過性等)，日益受到人們的關(guān)注，在國防工業(yè)、微動力資源、光學(xué)器件等方面有廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。氫化鋰薄膜由于其對軟x射線波段具有高透過性，故有望成為軟x射線多層膜的間隔層材料[5-7]。目前在軟x射線長波段(20～30 nm)，多層膜的反射率不高。因此，在軟x射線短波段(20～30 nm)尋找新的間隔層材料很有必要。在ICF研究中，氫化鋰薄膜能夠儲存較多的聚變?nèi)剂?，而且同位?Li和7Li與中子反應(yīng)生成氚，可以參與聚變反應(yīng)或回收再利用，6Li和7Li也可有效地利用中子，并起到慢化、屏蔽中子的作用[8-9]。在點火靶中，氫化鋰薄膜涂層有望解決聚變反應(yīng)自持和為了延長反應(yīng)時間而增加DT冰層所帶來的表面粗糙度增加的問題，因此開展氫化鋰薄膜的制備研究具有重大理論意義和工程意義[10-11]。

氫化鋰薄膜雖然在ICF、軟x射線多層膜的研究中有潛在的應(yīng)用前景，但是，氫化鋰薄膜在空氣中的穩(wěn)定性影響了它的應(yīng)用。氫化鋰薄膜和空氣中的水、CO2很易反應(yīng)，生成LiOH，Li2CO3等，這一性質(zhì)成為了氫化鋰薄膜制備和應(yīng)用的最大難題。由于表面粗糙度與空氣中的穩(wěn)定性極大程度上制約了氫化鋰薄膜的應(yīng)用，因此有關(guān)表面粗糙度與空氣中穩(wěn)定性的研究非常有意義。鋁金屬具有良好的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性，耐腐蝕性、吸音性、耐核輻射性和良好的光電性等優(yōu)良性質(zhì)[12-13]。由于其優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)，使得鋁薄膜在微電子電路、薄膜電路和光學(xué)薄膜中被廣泛應(yīng)用[14-16]。目前，鋁薄膜的研究主要有兩個方面：一方面研究超薄鋁膜的光學(xué)特性和電性能[17-19]；另一方面研究鋁膜在制備多層薄膜中的作用[20-22]。為了阻止氫化鋰薄膜與空氣中的水和CO2發(fā)生反應(yīng)變質(zhì)，鑒于鋁薄膜的優(yōu)良性能，本文在沉積氫化鋰薄膜后，在氫化鋰薄膜的表面沉積一層致密、均勻的金屬鋁薄膜作為保護膜，研究鋁膜厚度對氫化鋰薄膜水解性質(zhì)的影響。

本文采用磁控濺射方法在貼有聚乙烯膜的Si(100)基片上制備了不同厚度鋁保護膜的氫化鋰薄膜，在溫度、靶基距、Ar氣壓和氫分壓等條件一定的情況下，改變鋁保護膜的厚度，研究鋁保護膜厚度對氫化鋰薄膜分解變質(zhì)的影響，探討氫化鋰薄膜在空氣中的儲存條件。

1　邊緣效應(yīng)

為阻止氫化鋰薄膜與空氣中的水和CO2發(fā)生反應(yīng)變質(zhì)，即在氫化鋰薄膜的表面沉積一層致密、均勻的金屬鋁薄膜作為保護膜，阻擋其與水或CO2的反應(yīng)。但在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)沉積了金屬鋁保護膜的氫化鋰薄膜總是會從邊緣部分，由開始的藍灰色變?yōu)楹谏?，如圖1所示。

圖1　貼膜前的氫化鋰薄膜

這可能是金屬薄膜的邊緣密閉性較差，使得空氣中的水或CO2氣體從薄膜的邊緣進入，與氫化鋰薄膜反應(yīng)導(dǎo)致薄膜變色。

聚乙烯膜能夠在基片上鋪展開，并與基片緊密地結(jié)合在一起。利用這一特點，運用聚乙烯膜解決氫化鋰薄膜邊緣滲透的問題。首先將高純的單晶硅基片放到丙酮、乙醇、去離子水中分別用超聲波清洗5 min，用高壓N2氣吹干，使基片表面清潔，對洗凈后的基片用白光干涉儀進行了測試，如圖2所示，其表面均方根粗糙度為3.51 nm。然后在洗凈的基片上蒙上一層聚乙烯膜，將膜與基片之間的氣泡完全消除，讓膜與硅片完全接觸。然后在貼有聚乙烯膜的硅基片中心切掉一部分聚乙烯膜，露出基片，如圖3所示。用白光干涉儀進行測試，測量結(jié)果如圖4所示。

圖2　貼膜前硅基片的白光測試

圖3　貼膜后的硅基片

圖4　貼膜后硅基片的白光測試圖

比較貼膜前后硅基片的白光干涉儀測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)貼膜前后基片的粗糙度幾乎沒有發(fā)生變化，說明貼膜對基片的影響非常小，不會引進灰塵等雜質(zhì)。將貼膜后的基片放進磁控濺射裝置預(yù)處理室，由預(yù)處理室的磁力傳動桿傳至濺射室。LiH薄膜濺射過程中基片保持室溫，工作氣體高純Ar(99.999%)，流量為6 sccm，工作氣壓為1.0 Pa，反應(yīng)氣體為高純H2(99.999%)，流量為15 sccm，反應(yīng)氣壓0.2 Pa，濺射功率60 W。靶材使用直徑為75 mm、厚5 mm的Li靶，靶基距約為16 cm，濺射時間為2 h。在惰性氣氛條件下，將基片邊緣處的聚乙烯膜快速揭開，再次放入濺射室中，調(diào)節(jié)Al靶，沉積Al保護膜，工作氣體為高純Ar，流量為15 sccm，氣壓為0.1 Pa，濺射功率為60 W，濺射時間為1 h。最后將薄膜樣品取出，發(fā)現(xiàn)在短時間內(nèi)，并無變色現(xiàn)象發(fā)生，約5 min后薄膜邊緣及中心部分同時變色，而不是邊緣優(yōu)先變色，如圖5所示。說明這種方法阻止了水或CO2氣體從薄膜邊緣滲透。

圖5　貼膜后鍍金屬保護膜的氫化鋰薄膜

2　結(jié)果與討論

實驗具體參數(shù)見表1。采用磁控濺射方法制備薄膜，實驗中，采用高純壓制的鋰靶(99.99%)和鋁靶(99.99%)?；x用單晶Si(100)面，首先將基片放入到丙酮中進行超聲波清洗5 min，然后放入15% HF溶液中浸泡3 min，去掉Si基片上的氧化層，然后用去離子水清洗干凈，晾干后在洗凈的基片上蒙上一層聚乙烯膜，讓聚乙烯膜與基片充分接觸。在貼有聚乙烯膜的硅基片中心切掉一部分聚乙烯膜，露出一部分硅片待用。

表1　不同樣品的制備參數(shù)

濺射鋰靶時采用高純Ar(99.999%)為濺射氣體，高純H2(99.999%)為反應(yīng)氣體，氣體流量由質(zhì)量流量計控制，氣體壓強由真空計顯示。濺射沉積氫化鋰薄膜2 h后，在惰性氣體Ar的氣氛中取出樣品去掉基片表面的聚乙烯膜，然后再將樣品放入真空室，停止通H2，只通Ar濺射鋁靶，在氫化鋰薄膜表面濺射沉積不同厚度的鋁保護膜。實驗中樣品用臺階儀測試薄膜的厚度，用PHILIPS X Pert Pro MPD型x射線衍射儀進行測試薄膜的物相，紅外光譜測試薄膜中的分子結(jié)構(gòu)。

圖6為樣品1和2的x射線衍射圖譜。從圖6可以看出，氫化鋰薄膜表面沉積的鋁薄膜厚度為21 nm和36 nm時，x射線衍射檢測不到LiH的衍射峰，究其原因可能是因為氫化鋰薄膜沒有結(jié)晶，或者是因為保護膜的厚度太薄，氫化鋰薄膜已經(jīng)與水或CO2發(fā)生反應(yīng)變質(zhì)。

圖6　樣品1、2的x射線衍射圖譜

樣品3 x射線衍射測試圖譜如圖7所示。當(dāng)鋁薄膜厚度為55 nm時，x射線衍射檢測到LiH的衍射峰，這進一步說明當(dāng)鋁保護膜較薄時(21 nm和36 nm)，未起到保護作用，導(dǎo)致氫化鋰薄膜與水或CO2發(fā)生反應(yīng)，因而x射線衍射檢測不到LiH的衍射峰，而鋁膜厚度增加，達到55 nm時，在x射線圖譜中出現(xiàn)了LiH的特征峰，可以初步說明，厚度為55 nm的鋁膜起到了保護作用。

圖7　樣品3的x射線衍射圖譜

為了排除x射線衍射測試中的其他可能因素，證明隨著鋁膜厚度的增加，對氫化鋰薄膜的保護作用逐漸增強，進行了紅外光譜測試，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8　樣品的紅外光譜

3　結(jié)束語

運用磁控濺射方法濺射沉積了氫化鋰薄膜，并在氫化鋰薄膜的表面沉積了鋁膜，發(fā)現(xiàn)金屬保護膜的邊緣防水性較差，因此利用聚乙烯膜的特點解決了邊緣水解的問題。在貼有聚乙烯膜的硅片上沉積氫化鋰薄膜后，在其表面沉積不同厚度的鋁保護膜，采用x射線衍射和紅外光譜測試，分析研究了不同厚度鋁膜對防止氫化鋰薄膜分解所起的作用。研究結(jié)果表明，隨著鋁膜厚度的增加，氫化鋰薄膜與水或CO2反應(yīng)變質(zhì)的幾率越小，鋁膜厚度為55 nm時，樣品結(jié)果顯示鋁膜對氫化鋰薄膜起到了一定的保護作用，延緩了氫化鋰薄膜與空氣中水和CO2等雜質(zhì)的反應(yīng)。

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Research on Preventing Lithium Hydride Films From Hydrolysis

LEI Jiehong

(College of Physics and Space Science, West China Normal University, Nanchong 637002, China)

The different thickness Al films were fabricated on Lithium hydride films which deposited on Si(100) substrates after coating film by DC magnetron sputtering deposition. The results of X-ray diffraction (XRD) and IR spectrum indicated that the hydrolysis effect of Lithium hydride films greatly depend on the Al-film thickness. The influence of the Al-film thickness on preventing lithium hydride films from hydrolysis was analyzed and it was determined that the optimized Al-film thickness was 55nm. These results provide experimental data for preventing lithium hydride films from hydrolysis.

Al films; lithium hydride films; hydrolysis; DC magnetron sputtering deposition

2015-12-28

四川省教育廳青年項目(11ZB033)；西華師范大學(xué)重大探索性項目(14C005)

雷潔紅(1980-)，女，四川達州人，副教授，博士，主要從事納米功能材料方面的研究，(E-mail)jiehonglei@126.com

1673-1549(2016)02-0001-04

10.11863/j.suse.2016.02.01

O484.5

A