CN108531877A - 一种TiZrVHf四元吸气剂薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TiZrVHf四元吸气剂薄膜，包括Ti、Zr、V、Hf四种元素且原子个数比为(0.9～1.1):(0.9～1.1):(0.9～1.1):(0.9～1.1)；TiZrVHf四元吸气剂薄膜包括依次在基体管道内壁生长的致密层和柱状层，致密层为薄膜表面平整，在电子显微镜下无明显晶粒的结构；柱状层为薄膜表面粗糙，在电子显微镜下具有明显晶粒的结构，柱状层具有较大表面积，具有较大的吸气面积，使得单位基体管道面积的抽气速率显著增加。本发明属于吸气剂薄膜技术领域，该TiZrVHf四元吸气剂薄膜能够在低温下激活，具有较强附着力和较长使用寿命，能够有效提高粒子加速器真空度，降低二次电子发射系数。

Description

一种TiZrVHf四元吸气剂薄膜及其制备方法

技术领域

本发明属于吸气剂薄膜技术领域，具体是指一种TiZrVHf四元吸气剂薄膜及其制备方法。

背景技术

吸气材料能够通过物理或化学吸附作用吸收真空器件中的残余活性气体或器件使用过程中释放的活性气体，提高真空系统的极限真空水平，避免真空品质随使用寿命而下降，起到减小活动部件振动阻尼、降低内腔热耗散、避免气体与精密元件反应导致污染或质量变化的作用，达到维持真空设备或密封器件真空品质与理想工作环境的目的。吸气材料主要分为蒸散型(Evaporable Getter)和非蒸散型(Non-evaporable Getter or NEG)。前者需蒸散并沉积在真空器件内壁上吸收活性气体，它通常为钡、锶、钙、镁及其合金，因其蒸散性质带来诸多问题导致应用范围有限；后者通过物理溅射方法获得，并加热激活得到活性表面来吸收活性气体，它通常为钛、锆、铪、钇、钒等金属及其与过渡族元素组成的合金，可以制成块体、带材、厚膜和薄膜，已普遍应用在超高真空系统、电光源、太阳能集热设备、惰性气体纯化、溅射离子泵、吸气剂泵、平板显示器(OLED/FED/LCD)中，保障设备运行的可靠性、稳定性与工作寿命。

吸气剂，是在真空或惰性环境中吸收H₂、CO、CO₂、H₂O、O₂等活性气体的一种重要的功能材料，广泛应用于需要维持真空环境的高真空系统、微电子真空器件等。由于传统吸气剂激活温度高，体积大，并且有毒，已经不能满足在特定领域的使用要求。

高能物理的飞速发展，对粒子加速器真空技术的要求越来越高：第一，高速运动的粒子需要超高真空(ultra high vacuum)环境；第二，真空盒管壁要求有较低的二次电子发射系数(second electron yield)。由于粒子加速器真空管道管径细长导致流导过小，并且传统不锈钢、无氧铜、铝材管道内壁二次电子发射系数也偏高，故不能满足粒子加速器的需求。在真空管内壁镀一层厚度为0.1～2μm的吸气剂薄膜，既能满足抽真空需求，又能降低管道本身的二次电子发射系数。

镀膜后的真空管安装于粒子加速器后，需要在160～200℃，20～24小时的在线激活才能具有抽速，并且具有较低的二次电子发射系数。

因此，一种激活温度低且抽速大的吸气剂薄膜与其制备方法亟待研究。

发明内容

为解决上述现有难题，本发明提供了一种激活温度低且抽速大的TiZrVHf四元吸气剂薄膜及其制备方法，该TiZrVHf四元吸气剂薄膜能够在低温下激活，具有较强的附着力和较长的使用寿命，能够有效地提高粒子加速器真空度，并降低二次电子发射系数。

本发明采用的技术方案如下：一种TiZrVHf四元吸气剂薄膜，包括Ti、Zr、V、Hf四种元素，所述Ti、Zr、V、Hf四种元素的原子个数比为(0.9～1.1):(0.9～1.1):(0.9～1.1):(0.9～1.1)；所述TiZrVHf四元吸气剂薄膜包括依次在基体管道内壁生长的致密层和柱状层，所述致密层为薄膜表面平整，在电子显微镜下无明显晶粒的结构，致密层用于防止基体管道材料中的杂质元素扩散进入TiZrVHf四元吸气剂薄膜，对TiZrVHf四元吸气剂薄膜形成毒性作用而使得对活性气体的抽速下降；所述柱状层为薄膜表面粗糙，在电子显微镜下具有明显晶粒的结构，柱状层具有较大的表面积，从而具有较大的吸气面积，使得单位基体管道面积的抽气速率显著增加。

本发明还公开了一种TiZrVHf四元吸气剂薄膜的制备方法，包括如下步骤：

1)将基体管道预处理；

2)将预处理过的基体管道采用脉冲磁控溅射，沉积温度80～100℃，Kr流量0.5～10sccm，溅射功率50～100W，气体压强0.1～1.5Pa，沉积时间30～90min，使得基体管道上形成Ti、Zr、V、Hf四种元素的致密层；

3)将步骤2)得到的基体采用直流磁控溅射，沉积温度100～250℃，Kr流量0.5～10sccm，溅射功率50～150W，气体压强0.5～2Pa，沉积时间60～900min，使得基体管道上形成Ti、Zr、V、Hf四种元素的柱状层。

进一步地，制备方法中还包括设置靶体，靶体是由直径0.5～1.5mm，纯度>99.5％的Ti、Zr、V、Hf金属丝绕制成麻花状的靶体。

进一步地，步骤1)所述的基体管道预处理方法包括如下步骤：

1)酸洗：20～40min；

2)冲洗：去离子水冲洗10min；

3)脱水：用分析纯酒精将基体管道内壁充分脱水；

4)晾干：10h自然干或5min吹干；

5)焊接法兰，捡漏，抛光布抛光基体管道内表面；

6)酸洗：20～40min；

7)冲洗：去离子水冲洗10min，用去离子水超声波冲洗10min，温控在35～80℃；

8)晾干：同上；

9)真空炉除气：400℃，保温4h，真空度优于3.5×10^-4Pa；自然冷却至室温，真空度优于1.5×10^-5Pa。

采用上述方案本发明取得有益效果如下：本发明TiZrVHf四元吸气剂薄膜激活温度低且抽速大，能够在低温下激活，具有较强的附着力和较长的使用寿命，能够有效地提高粒子加速器真空度，并降低二次电子发射系数。本发明TiZrVHf四元吸气剂薄膜主要应用于超高真空、电子元器件、粒子加速器、太阳能集热管等领域，用于提高电子元器件、太阳能集热管真空封装后真空维持，保证较高的真空度；用于提高粒子加速器本底真空度，并且降低真空管壁的二次电子发射系数，以提高束流的运行效率。

本发明TiZrVHf四元吸气剂薄膜主要特点是激活温度可降低至160℃，而国际市场现有TiZrV三元吸气剂薄膜激活温度为180℃，激活温度下降11％。粒子加速器在线烘烤激活温度有效降低，使得目前极限衍射环小孔径磁铁设计成为了可行的技术方案。

TiZrVHf四元吸气剂薄膜二次电子发射系数可降低至1.2，低于TiN的二次电子发射系数1.4，可有效提高粒子加速器束流运行效率。

说明书附图

图1为本发明TiZrVHf四元吸气剂薄膜表面微观图；

图2为本发明TiZrVHf四元吸气剂薄膜断面微观图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明采用直流磁控溅射方法制备了一种TiZrVHf四元吸气剂薄膜，该TiZrVHf四元吸气剂薄膜由Ti、Zr、V、Hf四种元素组成，四种元素的原子个数比约为(0.9～1.1):(0.9～1.1):(0.9～1.1):(0.9～1.1)。Hf元素加入后有效降低了吸气剂薄膜的激活温度以及二次电子发射系数。采用不同的工艺参数，依次在基体管道内壁生长的致密层以及柱状层构成。致密层主要是防止管道材料中的杂质元素扩散进入TiZrVHf四元吸气剂薄膜，对TiZrVHf四元吸气剂薄膜形成毒性作用而使得对活性气体的抽速下降。柱状层具有较大的表面积，从而具有较大的吸气面积，使得单位基体管道面积的抽气速率显著增加。

致密层是指TiZrVHf四元吸气剂薄膜表面平整，在电子显微镜下无明显晶粒结构。工艺参数：采用脉冲磁控溅射，沉积温度80～100℃，Kr流量0.5～10sccm，溅射功率50～100W，气体压强0.1～1.5Pa，沉积时间30～90min；柱状层是指TiZrVHf四元吸气剂薄膜表面粗糙，在电子显微镜下具有明显晶粒结构。工艺参数：采用直流磁控溅射，沉积温度100～250℃，Kr流量0.5～10sccm，溅射功率50～150W，气体压强0.5～2Pa，沉积时间60～900min；

靶体：靶体是由直径0.5～1.5mm，纯度>99.5％的Ti、Zr、V、Hf金属丝绕制成麻花状。

实施例1，本发明TiZrVHf四元吸气剂薄膜的制备方法，包括如下步骤：

1)将基体管道预处理；

2)将预处理过的基体管道采用脉冲磁控溅射，沉积温度90℃，Kr流量2sccm，溅射功率60W，气体压强1Pa，沉积时间50min，使得基体管道上形成Ti、Zr、V、Hf四种元素的致密层；

3)将步骤2)得到的基体采用直流磁控溅射，沉积温度150℃，Kr流量2sccm，溅射功率100W，气体压强1Pa，沉积时间300min，使得基体管道上形成Ti、Zr、V、Hf四种元素的柱状层。

实施例2，本发明TiZrVHf四元吸气剂薄膜的制备方法，包括如下步骤：

1)将基体管道预处理；

2)将预处理过的基体管道采用脉冲磁控溅射，沉积温度85℃，Kr流量4sccm，溅射功率80W，气体压强1.2Pa，沉积时间70min，使得基体管道上形成Ti、Zr、V、Hf四种元素的致密层；

3)将步骤2)得到的基体采用直流磁控溅射，沉积温度200℃，Kr流量8sccm，溅射功率80W，气体压强1.5Pa，沉积时间600min，使得基体管道上形成Ti、Zr、V、Hf四种元素的柱状层。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种TiZrVHf四元吸气剂薄膜，其特征在于，包括Ti、Zr、V、Hf四种元素，所述Ti、Zr、V、Hf四种元素的原子个数比为(0.9～1.1):(0.9～1.1):(0.9～1.1):(0.9～1.1)；所述TiZrVHf四元吸气剂薄膜包括依次在基体管道内壁生长的致密层和柱状层，所述致密层为薄膜表面平整，在电子显微镜下无明显晶粒的结构，致密层用于防止基体管道材料中的杂质元素扩散进入TiZrVHf四元吸气剂薄膜，对TiZrVHf四元吸气剂薄膜形成毒性作用而使得对活性气体的抽速下降；所述柱状层为薄膜表面粗糙，在电子显微镜下具有明显晶粒的结构，柱状层具有较大的表面积，从而具有较大的吸气面积，使得单位基体管道面积的抽气速率显著增加。

2.一种TiZrVHf四元吸气剂薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将基体管道预处理；

2)将预处理过的基体管道采用脉冲磁控溅射，沉积温度80～100℃，Kr流量0.5～10sccm，溅射功率50～100W，气体压强0.1～1.5Pa，沉积时间30～90min，使得基体管道上形成Ti、Zr、V、Hf四种元素的致密层；

3)将步骤2)得到的基体采用直流磁控溅射，沉积温度100～250℃，Kr流量0.5～10sccm，溅射功率50～150W，气体压强0.5～2Pa，沉积时间60～900min，使得基体管道上形成Ti、Zr、V、Hf四种元素的柱状层。

3.根据权利要求2所述的一种TiZrVHf四元吸气剂薄膜的制备方法，其特征在于，制备方法中还包括设置靶体，靶体是由直径0.5～1.5mm，纯度>99.5％的Ti、Zr、V、Hf金属丝绕制成麻花状的靶体。

4.根据权利要求2所述的一种TiZrVHf四元吸气剂薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1)所述的基体管道预处理方法包括如下步骤：

1)酸洗：20～40min；

2)冲洗：去离子水冲洗10min；

3)脱水：用分析纯酒精将基体管道内壁充分脱水；

4)晾干：10h自然干或5min吹干；

5)焊接法兰，捡漏，抛光布抛光基体管道内表面；

6)酸洗：20～40min；

7)冲洗：去离子水冲洗10min，用去离子水超声波冲洗10min，温控在35～80℃；

8)晾干：同上；

9)真空炉除气：400℃，保温4h，真空度优于3.5×10^-4Pa；自然冷却至室温，真空度优于1.5×10^-5Pa。