分析了熱蒸發(fā)、濺射和脈沖激光沉積三種鍍膜技術鍍金屬薄膜的性能特點。根據文獻報道數據，研究了三種鍍膜技術鍍金屬薄膜的成膜機理、晶格參數、膜力學性能的差別。脈沖激光沉積鍍膜易按層與層疊加方式成膜，薄膜應力小，缺陷少，晶格尺寸大，而熱蒸發(fā)和濺射鍍膜多按三維島式生長成膜，薄膜應力較大，因應力誘發(fā)較多缺陷與位錯，晶格尺寸相對要小。脈沖激光沉積粒子能量高，能夠實現氫化物一步成膜，薄膜性能更佳。脈沖激光沉積技術更有利于制備聚變應用的金屬氫化物薄膜。

　　氫能源是人類未來賴以生存的能量來源，氚和氘是聚變能開發(fā)利用的燃料，也是產生中子源的材料。儲氫材料(金屬及其合金氫化物)，長期以來一直是研究的熱門領域。金屬薄膜及其氫化物薄膜在核能開發(fā)、核材料制備、中子發(fā)生器研制、高效催化劑與新材料的研究等領域中具有廣泛的應用。金屬鉺、鈦、鋯等的氫化物(氘化物、氚化物)，具有較低的氫平衡壓、較高的儲氫容量，常被用于制造中子發(fā)生器與中子管，即一定厚度的氫化物薄膜附著在基材之上，提供離子源或作為產生(D，T)或(D，D)聚變的靶。而氫化物薄膜又是金屬薄膜經過吸氫氫化而來，金屬薄膜(氫化物薄膜)的制作工藝、膜的性能、膜生長機理、膜微觀結構與組織形態(tài)及膜與氫的相互作用行為決定著氫化物薄膜的性能與品質，同時決定了中子發(fā)生器與中子管的性能、穩(wěn)定性、可靠性及壽命。

　　熱蒸發(fā)(包括電子槍和電阻)沉積、濺射沉積和脈沖激光沉積(PLD)三種技術都廣泛用于研制金屬薄膜。但由于三種沉積技術因成膜速率和沉積粒子能量的不同，導致薄膜成膜機理和膜性能產生較大差別。熱蒸發(fā)沉積和濺射沉積的成膜速率高，粒子

　　能量低，薄膜多按三維島式生長，在島-島界面存在孔洞和堆垛位錯，薄膜的應力較大。PLD成膜速率低，而粒子能量高，所鍍薄膜則易按層-層疊加方式生長，薄膜應力小。對于制備金屬氫化物薄膜，PLD具有技術優(yōu)勢，層-層疊加方式生長的薄膜，薄膜的粘附力強，應力小，薄膜的使用性能更好。

1、熱蒸發(fā)、濺射和PLD制備金屬薄膜的技術特點

　　熱蒸發(fā)、濺射和PLD三種技術對靶材料蒸發(fā)方式的不同，致使三種鍍膜技術具有各自的技術特點，也對薄膜的性能產生不同影響。

　　熱蒸發(fā)是在真空條件下，通過對靶材料進行加熱，使靶材料受熱蒸發(fā)，蒸發(fā)粒子不帶電，能量通常小于1eV，沉積的薄膜為多孔的柱狀結構。

　　濺射鍍膜是通過荷能粒子轟擊靶材料，使靶材料原子濺射出來，然后在底襯上沉積成膜。濺射沉積粒子能量通常為幾個電子伏特，沉積的薄膜致密牢固，柱狀結構得到抑制，但在薄膜中會含有一定量的轟擊粒子物質(氦等)。

　　PLD通過高能激光轟擊靶材料，使靶材料近表面層在納秒或飛秒時間范圍內燒蝕，蒸發(fā)為等離子體羽輝，然后在底襯上沉積為膜。以KrF脈沖激光為例(波長248nm)，一次脈寬為30ns的脈沖激光，可以使深度在10～20nm的金屬原子受熱激發(fā)成等離子體羽輝，并在激光的加熱下，等離子體羽輝的最高溫度可達10000K，在激光脈沖結束時，等離子體羽輝的溫度在4000～5000K之間。等離子體羽輝組成復雜，由原子、離子、電子、原子與離子團簇等組成，粒子速率可達105cm/s量級，平均粒子能量約為100eV。粒子能量與激光的能量密度密切相關，并對金屬薄膜的生長及膜的性能產生重大影響。

　　從沉積成膜速率看，熱蒸發(fā)沉積成膜速率最高，電阻蒸發(fā)鍍膜速率一般為5nm/s，濺射沉積的成膜速率為每秒零點幾納米。PLD的成膜速率最慢，為每次脈沖0.0001～0.05nm，按最大脈沖頻率(50Hz)計算，成膜速率一般不超過0.1nm/s。在膜層組成上，PLD所鍍薄膜純度高，無雜質污染，并與靶具有相同的成分組成，具有很高的保成分組成的性能。而熱蒸發(fā)鍍膜易受蒸發(fā)源材質的污染，濺射鍍膜也會引入轟擊粒子物質。因蒸發(fā)溫度與濺射閾值的不同，熱蒸發(fā)與濺射鍍膜易產生成分的分餾，使膜層的成分與靶的成分產生差異。

4、三種鍍膜技術在制備氫化物薄膜中的應用

　　目前，制備氫化物薄膜一般采用濺射和熱蒸發(fā)(包括電阻鍍膜和電子槍鍍膜)兩種技術，先制成一定厚度的金屬薄膜，然后將薄膜加熱到一定溫度(一般250～400℃)，經過吸氫制成氫化物膜，即氫化物薄膜的制備由鍍膜和氫化兩步工藝組成。金屬薄膜在吸氫過程中，因為存在相的變化，金屬由bcc或Hcp結構變成氫化物的fcc結構，晶格發(fā)生膨脹，導致氫化物膜產生腫脹，不僅降低膜的力學性能，而且還會削弱膜與基材之間的粘附能力。以氫鈦體系為例，鈦膜吸氫后體積膨脹率超過15%。電子束蒸發(fā)制備的LaMg2Ni合金薄膜氫化前后表面形貌分析也證實，薄膜氫化前表面連續(xù)平整，而在氫化后，薄膜表面變得凹凸不平，并有顆粒團聚的現象，是由于薄膜吸氫后體積膨脹所造成的。

　　其次，對于金屬氚化物膜，因氚衰變產生的氦(3He)在氚化物膜中集聚并緩慢釋放，當3He量達到某一臨界值后，3He釋放速率呈數量級增加，同時，3He也會引起氚化物晶格再次發(fā)生腫脹，在氚靶時效的最初3個月內，因3He的產生又會引起氚化鈦晶格體積至少膨脹10%，氫化和3He引發(fā)的雙重膨脹必然會導致氚化物薄膜與基材之間的粘附能力大大降低。

　　PLD鍍膜技術在成膜機理與薄膜性能方面所具有的不同于熱蒸發(fā)和濺射兩種鍍膜技術的特性，使其在氫化物薄膜制備中具備潛在的技術優(yōu)勢。利用PLD背景氣氛鍍膜控制技術，以氫氣作為反應氣體，氫氣與金屬等離子體羽輝中的高能粒子在氣相中先反應形成金屬氫化物，然后在基材上成膜，變成氫化物薄膜，即氫化和鍍膜一步完成。這樣可以消除金屬膜在氫化過程中因晶格膨脹而引起的膜性能降低，增強了膜與基體的粘附能力，最大幅度提高薄膜的使用性能。

　　因PLD制成的膜的晶格尺寸比熱蒸發(fā)沉積鍍膜和濺射鍍膜所制成的膜的晶格尺寸大，如果制備氚化物膜，應用PLD技術更加有利，更有利于薄膜固氦，減少氦的釋放。因為，晶格尺寸越大，不僅氚化物的穩(wěn)定性增強，而且晶胞中能夠捕陷更多的間隙氦原子，使氚化物膜的固氦能力增大。

　　PLD制成的膜具有較小的應力與較少的缺陷，而且應力還可進行調節(jié)，提高了薄膜的力學性能，薄膜的穩(wěn)定性與牢固性，可以增強薄膜抗環(huán)境影響的能力，對于制備用作(D，T)或(D，D)反應的密封中子管靶材料，PLD制成的氫化物薄膜無疑具有更大的應用優(yōu)勢。

5、展望

　　熱蒸發(fā)、濺射和PLD三種鍍膜技術在技術性能上的差別，決定了成膜機理與薄膜性能方面產生差異，導致它們的應用也有所不同，尤其在金屬氫化物薄膜的研制方面。PLD的氣相沉積粒子能量高，H2反應沉積可望實現金屬氫化與氫化物一步成膜，能夠消除傳統(tǒng)技術制備的金屬膜在氫化過程中因晶格膨脹而引起的膜性能降低。加之，層-層疊加的薄膜生長方式，使得薄膜具有更好的膜層結構、界面結構及更佳的力學性能，薄膜應力小，缺陷少，晶格尺寸大，薄膜與基體的粘附能力、穩(wěn)定性及固氦能力強，對于研制純度要求高，使用環(huán)境苛刻，薄膜綜合性能要求嚴苛的用作核靶的氫化物薄膜(氘化物與氚化物薄膜)，PLD鍍膜技術更具有技術優(yōu)勢。