Ni-Ti中子多層膜結構與界面的控制.pdf

1、中子散射技術作為研究物質微觀結構與運動狀態(tài)的有效方法，在現(xiàn)代科學研究中已經必不可少，應用也日益廣泛。中子多層膜是中子散射等中子光學系統(tǒng)中最重要的光學元件之一。應用在中子導管內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構設計與界面狀態(tài)的影響。在國際上，中子超鏡技術的發(fā)展日益成熟，通過離子束濺射或者磁控濺射方法，國外已經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，由于國內條件受到各方面限制，中子超鏡的研究一直處于最基礎階段，主要探索了磁控濺射來制備中子超鏡。國內還未曾使用離子束濺射方法來制備中子超鏡，以及還未深入了解并優(yōu)化中子多層膜界面狀態(tài)來提高中子反射性能，基于這兩個出發(fā)點，進行了一系列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濺射兩種方法對Ni/Ti多層膜界面狀態(tài)的影響;工業(yè)生產中主要通過磁控濺射方法制備中子多層膜，所以采用磁控濺射方法進行了Ni/Ti中子超鏡制備前期研究。
　　利用原子力顯微鏡測量了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構，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散，納米壓痕技術分析了Ni/Ti多層膜的力學性能。
　　研究表明對于離子束濺射工藝，在一定的范圍內，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晶性與致密性;適當?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層之間的擴散更嚴重;濺射氣壓越高，Ni/Ti多層膜更傾向于柱狀生長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?shù)臅r間，及通過反應濺射在多層膜的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之間嚴重的擴散，達到優(yōu)化Ni/Ti多層膜的界面狀態(tài)的效果。通過納米壓痕分析可以發(fā)現(xiàn)，反應濺射沉積的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