CN114773061B - 一种偏硼酸金属盐激光溅射靶材制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏硼酸金属盐激光溅射靶材的制备方法，涉及激光溅射离子源领域。本发明的制备方法是：①称取原料；②研磨混合；③加热熔融；④冷却制靶；⑤性质测试：A、硬度测试；B、表面形貌测试；C、激光溅射测试；D、激光溅射偏硼酸钍盐靶飞行时间质谱。与现有的激光溅射靶材相比，本发明具有以下优点和积极效果：1)本发明的制备原理和工艺简单；2)本发明的原料易得，硼砂和金属氧化物，例如二氧化钍，很容易获得；3)本发明制备的偏硼酸金属盐激光溅射靶材坚硬平整，质地均匀，有一定厚度，溅射寿命长。

Description

一种偏硼酸金属盐激光溅射靶材制备方法

技术领域

本发明涉及激光溅射离子源，尤其涉及一种偏硼酸金属盐激光溅射靶材制备方法，适用于离子产生和囚禁研究和应用领域。

背景技术

在离子产生和囚禁研究和应用领域中，激光溅射是一种常用的产生离子的方法。激光溅射的原理是激光与靶材作用产生等离子体，随后等离子体在飞行过程中发生库仑爆炸，产生不同数量各种价态的离子。通过离子阱对这些离子进行质荷选择，囚禁特定质荷比的离子。激光溅射产生的离子全部来自于靶材，坚硬平整、质地均匀、稳定寿命的靶材的制备是激光溅射的关键技术。

一般地，激光溅射靶材依据所需目标金属离子选择和制备，可分为金属单质靶材、金属氧化物靶材、金属盐靶材等。金属单质靶材是激光溅射靶材最好的选择，因为激光溅射时只产生各种价态的金属离子，其他杂质离子很少。但有些离子样品的金属单质难以获得，需要用金属氧化物或金属盐替代。金属氧化物靶材一般通过压片法或烧结法制备，需要很大的压力或很高的温度，工艺复杂，对实验条件要求很高。金属盐靶材是将饱和金属盐溶液均匀涂布在基板上，蒸发结晶后制得，但结晶不均匀，厚度薄，溅射寿命短。

对于金属单质难以获得的离子样品，为了解决现有的金属盐靶材存在的上述问题，提供一种偏硼酸金属盐激光溅射靶材制备方法。硼砂是一种无机化合物，化学式一般写作Na₂B₄O₇·10H₂O，加热至800-900℃时，熔化为玻璃状物，能溶解多种金属氧化物，生成对应的偏硼酸金属盐。利用硼砂的这一化学性质，在金属氧化物粉末中添加适量硼砂，在较高温度下可获得金属氧化物和硼砂的混融物，冷却后制得偏硼酸金属盐激光溅射靶材。与现有的一般方法制备的金属盐靶材相比，偏硼酸金属盐靶材坚硬平整、质地均匀，有一定厚度，溅射寿命长。

综上所述，激光溅射产生的离子全部来自于靶材，坚硬平整、质地均匀、稳定寿命的靶材的制备是激光溅射的关键技术。金属单质靶材是激光溅射靶材最好的选择，但有些离子样品的金属单质难以获得，需要用金属氧化物或金属盐替代。金属氧化物靶材的制备一般需要很大的压力或很高的温度，工艺复杂。一般方法制备的金属盐靶材结晶不均匀，厚度薄，溅射寿命短。相比而言，利用金属氧化物与硼砂在较高温度下反应制得偏硼酸金属盐激光溅射靶材更有优势，其特点是原理和工艺简单，原料易得，靶材坚硬平整，质地均匀，有一定厚度，溅射寿命长。

发明内容

本发明的目的就在于针对现有的金属盐靶材存在的上述问题，提供一种偏硼酸金属盐激光溅射靶材的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

利用熔化硼砂能溶解多种金属氧化物，生成对应的偏硼酸金属盐的性质，将硼砂和金属氧化物，例如二氧化钍，混合共热，完全熔融后倒在模具基板上，冷却后制得偏硼酸金属盐激光溅射靶材。原理和工艺简单，原料易得，靶材坚硬平整，质地均匀，有一定厚度，溅射寿命长，比一般方法制备的金属盐靶材更有优势，可以用作激光溅射离子源，广泛用于离子产生和囚禁研究和应用领域。

具体地说，本发明的制备方法包括如下步骤：

①称取原料

用电子天平称取7.5-2.5g硼砂和2.5-7.5g二氧化钍，二氧化钍质量分数为25-75％；

②研磨混合

于研钵中研磨混合均匀，装入陶瓷坩埚中；

③加热熔融

用坩埚钳夹取陶瓷坩埚，在酒精灯外焰上加热，直至原料完全熔融；

④冷却制靶

将陶瓷坩埚内熔融物均匀倒入氧化铝陶瓷模具内，坩埚内熔融物可顺利倒出；完全冷却后从模具基板上取下白色固体，制得偏硼酸金属盐激光溅射靶材；

⑤性质测试

A、硬度测试；B、表面形貌测试；C、激光溅射测试；D、激光溅射偏硼酸钍盐靶飞行时间质谱。

与现有的激光溅射靶材相比，本发明具有以下优点和积极效果：

1)本发明的制备原理和工艺简单，利用熔化硼砂能溶解多种金属氧化物，生成对应的偏硼酸金属盐的性质，所需实验条件简单，不需要很大的压力或很高的温度。

2)本发明的原料易得，硼砂和金属氧化物，例如二氧化钍，很容易获得。

3)本发明制备的偏硼酸金属盐激光溅射靶材坚硬平整，质地均匀，有一定厚度，溅射寿命长。

附图说明

图1是本方法的步骤图，

1—称取原料；

2—研磨混合；

3—加热熔融；

4—冷却制靶；

5—性质测试；

图2是本发明制得的偏硼酸钍盐靶和硝酸钍盐靶的实物图和表面形貌图，A

—偏硼酸钍盐靶实物图，

B—硝酸钍盐靶实物图，

C—是偏硼酸钍盐靶金相显微镜放大40倍表面形貌图，

D—硝酸钍盐靶金相显微镜放大40倍表面形貌图；

图3是本发明制得的偏硼酸钍盐靶、铝金属靶、硝酸钍盐靶用不同能量激光溅射100次形成的凹坑金相显微镜放大40倍表面形貌图，

a—是铝金属靶5mJ能量激光溅射100次形成的凹坑金相显微镜放大40倍表面形貌图，

b—是铝金属靶10mJ能量激光溅射100次形成的凹坑金相显微镜放大40倍表面形貌图，

c—是铝金属靶20mJ能量激光溅射100次形成的凹坑金相显微镜放大40倍表面形貌图，

d—是铝金属靶30mJ能量激光溅射100次形成的凹坑金相显微镜放大40倍表面形貌图，

e—是偏硼酸钍盐靶5mJ能量激光溅射100次形成的凹坑金相显微镜放大40倍表面形貌图，

f—是偏硼酸钍盐靶10mJ能量激光溅射100次形成的凹坑金相显微镜放大40倍表面形貌图，

g—是偏硼酸钍盐靶20mJ能量激光溅射100次形成的凹坑金相显微镜放大40倍表面形貌图，

h—是偏硼酸钍盐靶30mJ能量激光溅射100次形成的凹坑金相显微镜放大40倍表面形貌图，

i—是硝酸钍盐靶5mJ能量激光溅射100次形成的凹坑金相显微镜放大40倍表面形貌图；

图4是激光溅射偏硼酸钍盐靶飞行时间质谱图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明：

一、方法

如图1，本方法包括下列步骤：

①称取原料-1；

②研磨混合-2；

③加热熔融-3；

④冷却制靶-4；

⑤性质测试-5。

二、本方法的化学反应原理

化学反应原理是：

硼砂(Na₂B₄O₇·10H₂O)加热至800-900℃时，熔化为玻璃状物，熔化的硼砂能溶解多种金属氧化物，生成对应的偏硼酸金属盐；以二氧化钍(ThO₂)为例，其化学反应方程式可以写为2Na₂B₄O₇·10H₂O+ThO₂→4NaBO₂+Th(BO₂)₄

+10H₂O，2摩尔硼砂与1摩尔二氧化钍反应时，硼砂与二氧化钍质量比为764：264≈3，即二氧化钍质量分数为25％时，恰好完全反应。以此化学反应原理为基础，作为具体实施时硼砂与二氧化钍配比时的参考标准。

三、具体实施例

1、偏硼酸金属盐激光溅射靶材制备的实施例

实施例1：用电子天平称取7.5g硼砂和2.5g二氧化钍，二氧化钍质量分数为25％，于研钵中研磨混合均匀，装入陶瓷坩埚中；用坩埚钳夹取陶瓷坩埚，在酒精灯外焰上加热，直至原料完全熔融，将陶瓷坩埚内熔融物均匀倒入氧化铝陶瓷模具内，坩埚内熔融物可顺利倒出；完全冷却后从模具基板上取下白色固体，制得偏硼酸金属盐激光溅射靶材。

实施例2：用电子天平称取5g硼砂和5g二氧化钍，二氧化钍质量分数为50％，于研钵中研磨混合均匀，装入陶瓷坩埚中。用坩埚钳夹取陶瓷坩埚，在酒精灯外焰上加热，直至原料完全熔融，将陶瓷坩埚内熔融物均匀倒入氧化铝陶瓷模具内，坩埚内熔融物更为浓稠但仍可顺利倒出。完全冷却后从模具基板上取下白色固体，制得偏硼酸金属盐激光溅射靶材。

实施例3：用电子天平称取2.5g硼砂和7.5g二氧化钍，二氧化钍质量分数75％，于研钵中研磨混合均匀，装入陶瓷坩埚中。用坩埚钳夹取陶瓷坩埚，在酒精灯外焰上加热，陶瓷坩埚内原料不能完全熔融，大部分仍为粉末或颗粒，未成功制得偏硼酸金属盐激光溅射靶材。

2、偏硼酸金属盐激光溅射靶材性质测试的实施例

实施例4：硬度测试

在制得的偏硼酸金属盐激光溅射靶材表面选取相隔较远的5个点，用邵氏D硬度计进行测试，硬度值分别为84HD、91HD、86HD、85HD、82HD，此偏硼酸金属盐激光溅射靶材平均硬度值为86HD，与硬塑料硬度值一致，硬度较高，有一定厚度，溅射寿命长。

实施例5：表面形貌测试

偏硼酸钍盐靶实物如图2-A所示，硝酸钍盐靶实物如图2-C所示，用金相显微镜观察偏硼酸钍盐靶和硝酸钍盐靶表面形貌，在放大40倍时，偏硼酸钍盐靶表面形貌如图2-B所示，坚硬平整，质地均匀，靶材有一定厚度；硝酸钍盐靶材表面如图3-b所示，凹凸不平，质地不均匀，部分区域有晶粒析出，部分区域无硝酸钍盐覆盖，可直接观察到铝基底，靶材厚度很薄。

实施例6：激光溅射测试

用1064nm激光溅射铝金属靶、偏硼酸钍盐靶和硝酸钍盐靶，频率为1Hz，用焦距为30cm凸透镜将光斑聚焦在溅射靶材上，溅射100次，溅射能量分别为5mJ、10mJ、20mJ、30mJ，用金相显微镜放大40倍观察激光溅射形成的凹坑表面形貌。如图3-a、3-b、3-c、3-d所示，分别为溅射能量5mJ、10mJ、20mJ、30mJ时激光溅射铝金属靶100次形成的凹坑金相显微镜放大40倍表面形貌图；如图3-e、3-f、3-g、3-h所示，分别为溅射能量5mJ、10mJ、20mJ、30mJ时激光溅射偏硼酸钍盐靶100次形成的凹坑金相显微镜放大40倍表面形貌图；如图3(i)所示，为溅射能量5mJ时激光溅射硝酸钍盐靶100次形成的凹坑金相显微镜放大40倍表面形貌图。由图3可得，激光溅射偏硼酸钍盐靶和铝金属靶形成的凹坑大小、深度几乎一致，即使在30mJ大能量下，偏硼酸钍盐靶依然可以多次溅射，保持稳定的寿命；而硝酸钍盐靶即使在5mJ小能量溅射下，表面硝酸钍很快脱落，露出铝基底，靶材溅射次数很少，寿命很短。

实施例7：激光溅射偏硼酸钍盐靶飞行时间质谱

用飞行时间质谱对激光溅射偏硼酸钍盐靶产生的离子进行检验，结果如图4所示，10.80μs和13.71μs的两个峰分别对应Th³⁺和Th²⁺的飞行时间，未观察到Th⁺的飞行时间质谱信号，因为其质荷比大，横向飞行距离大，可能飞出MCP板范围。飞行时间质谱表明，激光溅射偏硼酸钍盐靶产生了钍离子。

本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种偏硼酸金属盐激光溅射靶材制备方法，其特征在于：

①称取原料

用电子天平称取7.5-5g硼砂和2.5-5g二氧化钍，二氧化钍质量分数为25-50％；

②研磨混合

于研钵中研磨混合均匀，装入陶瓷坩埚中；

③加热熔融

用坩埚钳夹取陶瓷坩埚，在酒精灯外焰上加热，直至原料完全熔融；

④冷却制靶

将陶瓷坩埚内熔融物均匀倒入氧化铝陶瓷模具内，坩埚内熔融物可顺利倒出；完全冷却后从模具基板上取下白色固体，制得偏硼酸金属盐激光溅射靶材；

⑤性质测试

A、硬度测试；B、表面形貌测试；C、激光溅射测试；D、激光溅射偏硼酸钍盐靶飞行时间质谱。

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