金属Sc作为贮氢材料,具有热稳定性好、固溶体中H的浓度高等特点。与其他材料相比,Sc用于中子发生器的离子源或靶膜材料时,中子产额不理想但能在较短时间里达到稳态中子产额,而且,钪氘化物薄膜经氘粒子轰击后未出现烧蚀坑现象。因此,对金属Sc的研究除了具有一定的科学意义外,还具有非常重要的实际应用价值。要充分发掘Sc作为储氢材料的应用价值,必须深入、系统地解决以下几个科学问题：Sc吸氘的热力学和动力学行为；Sc膜的生长特性；Sc膜的微观结构及氘化条件对其吸氘性能的影响。针对上述问题,尽管国内外进行了相关的研究,但大多数只停留在Sc吸氢的热力学性能方面,对其吸氘热力学和动力学行为等的研究少见公开文献报道；另外,目前国内外对薄膜材料的研究日益重视,但针对Sc膜的研究却少之甚少。为此,本文首先系统地研究了体材Sc吸氘的热力学和动力学行为,其次实验和理论模拟相结合研究了Sc膜的生长特性,最后,综合分析了Sc膜的微观结构对其吸氘性能、力学性能的影响。(1)块材Sc吸氘的热力学和动力学行为Sc-D系统由两相组成：α-Sc和8-SCD2,它的P-C-T曲线具有倾斜的单平台特征,平台范围为0.5-1.3。各温度T下的平衡压P符合：lnP(Pa)=(-16374.4±188.88)／T+(23.56±0.18)。氘化反应是一个放热反应,其焓变为(-136.14±1.57)kJ·mol-1D2,熵变为(-100.06±1.5)J.mol-.K-1D2。从ln[(P0-Pf)／(P-Pf)]～t的关系可知：在650-800℃时,氘化反应为一级反应,而且温度越高,反应速率越慢,从650℃时的0.0717s-1降低至800℃时的0.0130s-1,在此温度区间反应的表观活化能为(-93.87±6.22)kJ·mol-1；当温度增大至850℃时,反应背离了一级反应,在最初的50s内,ln[(P0-Pf)／(P-Pf)]～t符合指数关系,随后转变为线性关系。(2)实验和理论模拟相结合研究Sc膜的生长特性实验和理论模拟相结合证明了Sc膜的生长符合岛状生长模式。Sc膜的表面形貌随衬底温度的变化基本符合结构区域模型(SZMs),其柱状生长主要是由沉积原子的入射方向和表面能最小原理决定的,但不同衬底、不同沉积条件下Sc膜的柱状生长具有各自不同的特征。Mo基Sc膜(衬底温度最高为650℃)和Si基Sc膜(衬底温度最高为550℃)具有c轴织构的结构特征,该织构的形成是由表面能最小原理决定的。在温度低至200℃时,Si基Sc膜与衬底Si发生微弱的界面反应生成ScSi化合物,而当衬底温度增大至650℃时,Sc膜完全与衬底Si发生反应。在Sc与Si反应时,生成的第一相是单硅化物ScSi,第二相是二硅化物ScSi2。与衬底温度相比,改变沉积速率并不能改变薄膜的物相组成,但却对薄膜的表面粗糙度和薄膜内各衍射峰的相对峰强产生较为显著的影响。对于Mo基Sc膜,沉积速率的提高有利于降低膜材料的表面粗糙度,但过大的沉积速率在一定程度上破坏了Sc膜的(002)织构生长；在研究沉积速率对Sc膜晶粒大小的影响时发现存在着一个临界值5nm/s,小于该临界值时沉积原子倾向于被已有原子或原子团吸附,大于临界值时沉积原子则反过来对已有原子团起到轰击、破碎的作用。对于Si基Sc膜,低温下沉积速率的影响不明显,而在高温650℃时,增大沉积速率会使膜表面出现较为明显的裂纹,而且也会在很大程度上增加膜材料中衍射峰的数量,使它的多晶结构更加强烈。(3)Sc膜的微观结构对其吸氘性能的影响当除气真空度较低(8.3×10-3Pa,1.3×10-3Pa)时,相比与高温制备的Sc膜,低温制备的缺陷浓度较高、晶粒尺寸较小、致密度较低的Sc膜的吸氘量相对较低。当Sc膜的镀膜条件相同时,也即是用来吸氘的Sc膜是由同一批次蒸镀的,提高除气真空度有利于增大其吸氘量。当除气真空度较高(5.4×10-4Pa)时,Sc膜的微观结构对吸氘量的影响较小,但氘化后的Sc膜在微观形貌、晶粒大小和晶粒取向等方面存在着以下异同：柱状Sc晶粒经氘化后变成了多个尺寸较小的氘化物晶粒,但从整体上看仍为柱状结构。氘化后Sc膜的晶粒大小与氘化前Sc膜的晶粒大小有一定的关系：氘化前晶粒尺寸越大,氘化后反而越小；氘化前后Sc膜的物相结构之间也存在一定的关系：氘化前Sc膜的(002)择优生长越强,氘化后ScD2膜的(111)择优生长也越强,这说明了在氘化初期(111)晶面上的ScD2晶核是由(002)晶面上的Sc晶核吸附D原子而得来的。氘化过程中应力的聚集使得厚膜(28kA)氘化后膜表面有裂纹出现,而较薄的Sc膜(8kA,15kA)氘化后表面未出现裂纹。与体材料中D的间隙占位机制占主导地位不同,薄膜材料吸氘时D原子被缺陷、晶界捕获,即捕获机制,在氘化过程中占据了主导地位,并由此造成了氘化后膜层的明显增厚。另外,Sc膜在降温吸氘过程中P-T或P-t曲线均由以下三个阶段组成：降温造成气体体积收缩的阶段(第Ⅰ阶段)、Sc膜大量吸氘的阶段(第Ⅱ阶段)、吸氘过程结束后的体积收缩阶段(第Ⅲ阶段),其中第Ⅱ阶段又分为破坏表面氧化层的阶段(Ⅱ-1阶段)和D在Sc膜内的快速扩散阶段(Ⅱ-2阶段),Ⅱ-1阶段是整个吸氘过程的控速步骤。(4)衬底温度对硬度和弹性模量的影响衬底温度对硬度和弹性模量的影响主要是由不同温度下Sc膜的晶粒大小、致密度、择优取向和膜材料的表面状态等决定的,其中,晶粒大小是众多因素中最为关键的一个。