用于惯性约束聚变靶丸材料的B-C-N薄膜的ECR-PLD制备及其结构控制

The purpose of the present work is to prepare boron carbon nitride (B-C-N) thin films by Electron Cyclotron Resonance plasma assisted Pulsed Laser Deposition (ECR-PLD) for the requirement of new target materials used in the National Ignition Facility (NIF). The preparation process and structural control of the as-deposited films will be investigated. The effect of ECR-PLD parameters on the deposition rate and surface morphology of the films will be discussed in order to obtain B-C-N thin films with controllable thickness and surface. The effects of B-C target compositions and ECR-PLD parameters on the phase composition, chemical structure, bond state and composition of the films will be mainly studied to form the ternary B-C-N compounds. The mechanical and optical properties of the films will be further tested, and the relationship between composition, structure and property will be established. Finally, single-phased B-C-N thin films with the controllable chemical composition, homogeneous composition distribution, uniform thickness and smooth surface are expected to be obtained. Under the coupling action between ECR plasma and laser-ablation plasma, the physical - chemical growth process and formation of the B-C-N thin films as well as the reaction mechanism of B, C, N atoms, will be interpreted.

针对惯性约束聚变对新型靶丸材料的需求，项目以电子回旋共振微波等离子体增强脉冲激光沉积（ECR-PLD）技术制备B-C-N薄膜及其结构控制为研究目标，系统研究ECR-PLD工艺参数对B-C-N薄膜的沉积速率和表面形貌的影响，通过优化沉积工艺和调整沉积时间实现对其厚度和表面质量的准确控制；重点研究B-C复合靶组分和ECR-PLD工艺参数对B-C-N薄膜物相组成、化学结构和杂化状态及其成分的影响，通过调整ECR微波功率和氮气分压，实现B-C-N薄膜中B、C、N的原子级化合及其成分的准确控制；系统测试B-C-N薄膜的力学和光学性能，研究薄膜成分、结构与其性能之间的相关性；最终制备出具有精确化学组成、单一物相结构和均匀成分分布以及厚度均匀、表面平整的B-C-N薄膜，并阐明在ECR微波等离子体和激光烧蚀等离子体的耦合作用下，B-C-N薄膜的物理-化学生长过程、成膜机理以及成膜原子之间的反应机制。

针对惯性约束聚变对新型靶丸材料的需求，本项目以用于惯性约束聚变靶丸材料的B-C-N薄膜的ECR-PLD制备及其结构控制为研究目标，在B-C-N薄膜的气相沉积与工艺控制、结构分析与性能优化、宽组分薄膜的可控制备及其生长过程与成膜机理等方面，开展了较系统的研究工作。首先以B4C陶瓷为靶源，采用脉冲激光沉积技术和电子回旋共振微波等离子体增强脉冲激光沉积技术制备B-C-N薄膜，系统研究了沉积工艺参数（氮气分压、衬底温度、能量密度等）对其沉积速率、表面形貌和化学组成的影响；通过控制沉积工艺，获得了具有特定化学组成、厚度均匀、表面平整的B-C-N薄膜，实现了薄膜中B、C、N的原子级化合及其成分的准确控制；系统研究了薄膜键结构和力学性能随沉积工艺的演变规律，建立了它们之间的定量关系，实现了对B-C-N薄膜性能的进一步优化；以不同比例的BN/C拼合靶为靶源，进一步制备出了组分变化范围更宽、成分可控的B-C-N薄膜；基于激光烧蚀等离子体羽辉的膨胀过程，对B-C-N薄膜的物理-化学生长过程和成膜机理进行了初步分析，计算得到的B、C、N原子比与实验结果吻合。在国内外期刊发表学术论文14篇，其中SCI收录13篇，EI收录1篇；申请发明专利3项；培养博士、硕士研究生3人。