含氦纳米膜的制备及其固氦特性研究

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开展储氚材料中氦行为的研究,无论在军事领域还是在和平利用核能领域都有着十分重要的意义。离子束辅助磁控He、Ar共溅射沉积方法,具有使常规体材既纳米化又同时掺He的特色。本文通过此方法制备了纳米晶含氦Ti膜及LaNiAl膜。研究了实验参数对膜的结晶情况及氦含量的影响,并进一步研究含氦纳米晶Ti膜室温下氦的保持、释放情况。实验过程中分别采用了X射线衍射(XRD)研究膜的结晶情况及晶粒大小,质子背散射(PBS)测量膜中氦含量及其分布,原子力显微镜(AFM)观察薄膜的微观表面形貌,透射电镜(TEM)观察膜中氦的存在状态、位置及晶粒大小,热解吸谱(TDS)研究膜中氦的存在位置,中子衍射测量氦在LaNiAl膜中的占位。研究结果表明:(1)通过改变低的PAr分压、PHe/PAr分压比、衬底温度等参数,获得了晶粒尺寸7.2nm-44.2nm,He/Ti原子比58.0%-11.6%的纳米晶钛膜。(2)含氦纳米晶钛膜具有良好的储He性能,晶粒9.9nm-44.2nm、He/Ti原子比48.3%至13.3%的含氦膜在室温存放12个月后He保持量在93.4%至42.6%之间。(3)纳米钛膜中,氦进入晶胞后使得纳米晶粒细化并引起晶胞参数改变,其c轴增加[(002)面峰位向小角度移动]而a轴[(100)晶面峰位不变]不变,同时存在氦阻碍晶粒变大的抑制效应。(4)He/Ti原子比22.9%的纳米晶钛膜仍具有体材一样的储氢能力,吸H后引起He原子在晶格中的占位变化或Hen-V中n的变化,He释放峰具有向低温移动的新特点。(5)决定纳米结晶LaNiAl膜的含He量和He位置的关键因素是靶材的品质,弧放电PAr,PHe/PAr分压比及衬底温区。(6)30℃~220℃和305℃~325℃的两不同温区,2.8≤PHe/PAr≤8,皆可获得He/LaNiAl原子比5.7%-13.8%的结晶含氦膜;中温膜He以单一的Hen-V存在,且He优先占位坐标为(0.38,0.44,0.50);而自然温升膜He位置更复杂。本文的价值在于证明了一定纳米尺度范围内的纳米晶Ti膜及LaNiAl膜材料具有固氦、储氢能力,扩拓了体材纳米化时的晶粒控制又同时掺He的新路,奠定了深入研究纳米晶Ti膜及纳米晶LaNiAl膜类储氢材料固氦能力及机理的基础。
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