Ni-Ti中子多層膜結(jié)構(gòu)與界面的控制.pdf

1、中子散射技術(shù)作為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的有效方法，在現(xiàn)代科學(xué)研究中已經(jīng)必不可少，應(yīng)用也日益廣泛。中子多層膜是中子散射等中子光學(xué)系統(tǒng)中最重要的光學(xué)元件之一。應(yīng)用在中子導(dǎo)管內(nèi)壁的中子超反射鏡就屬于中子多層膜元件的一種，其中子反射性能主要受到多層膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與界面狀態(tài)的影響。在國(guó)際上，中子超鏡技術(shù)的發(fā)展日益成熟，通過(guò)離子束濺射或者磁控濺射方法，國(guó)外已經(jīng)成功制備了各種類型的大臨界角高反射率的高性能中子超鏡，包括是極化與非極化中子超鏡，線性平行

2、與橢圓聚焦中子超鏡等。相比之下，由于國(guó)內(nèi)條件受到各方面限制，中子超鏡的研究一直處于最基礎(chǔ)階段，主要探索了磁控濺射來(lái)制備中子超鏡。國(guó)內(nèi)還未曾使用離子束濺射方法來(lái)制備中子超鏡，以及還未深入了解并優(yōu)化中子多層膜界面狀態(tài)來(lái)提高中子反射性能，基于這兩個(gè)出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行了一系列Ni/Ti多層膜的研究。
　　主要采用離子束濺射方法進(jìn)行Ni/Ti多層膜的制備，為了獲得制備Ni/Ti多層膜的最優(yōu)工藝參數(shù)，在不同的濺射功率、基底溫度和濺射氣壓條件下，在單

3、面拋光Si基底上離子束濺射沉積了一系列Ni/Ti多層膜;Ni/Ti多層膜的界面狀態(tài)（粗糙度與擴(kuò)散程度）是影響其中子束反射率的主要因素之一，研究了離子拋光與反應(yīng)濺射兩種方法對(duì)Ni/Ti多層膜界面狀態(tài)的影響;工業(yè)生產(chǎn)中主要通過(guò)磁控濺射方法制備中子多層膜，所以采用磁控濺射方法進(jìn)行了Ni/Ti中子超鏡制備前期研究。
　　利用原子力顯微鏡測(cè)量了Ni/Ti多層膜的表面形貌及粗糙度，透射電子顯微鏡分析了Ni/Ti多層膜厚度與晶體結(jié)構(gòu)，X射線光電

4、子能譜與俄歇電子能譜分析了Ni/Ti多層膜深度成分分布及界面擴(kuò)散，納米壓痕技術(shù)分析了Ni/Ti多層膜的力學(xué)性能。
　　研究表明對(duì)于離子束濺射工藝，在一定的范圍內(nèi)，小功率沉積的Ni/Ti多層膜表面更平整，但是大功率沉積的多層膜有更好的結(jié)晶性與致密性;適當(dāng)?shù)纳咭r底溫度有利于減小多層膜界面粗糙度，但Ni層與Ti層之間的擴(kuò)散更嚴(yán)重;濺射氣壓越高，Ni/Ti多層膜更傾向于柱狀生長(zhǎng)使得界面粗糙度增加。所以離子束濺射沉積Ni/Ti多層膜需要選

5、擇合適的濺射功率、襯底溫度以及濺射氣壓。對(duì)于Ni/Ti多層膜的界面狀態(tài)，采用低功率的離子束直接轟擊Ni/Ti多層膜每一層界面適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，及通過(guò)反應(yīng)濺射在多層膜的Ni層中摻入適量的N、O原子和Ti層中摻入少量的H原子，都能很好地減小Ni/Ti多層膜的界面粗糙度，甚至抑制Ni與Ti之間嚴(yán)重的擴(kuò)散，達(dá)到優(yōu)化Ni/Ti多層膜的界面狀態(tài)的效果。通過(guò)納米壓痕分析可以發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)濺射沉積的Ni/Ti多層膜有更高的硬度與彈性模量，表明膜層致密性與脆性也在