《Vacuum》：The effect of vacuum evaporation Source-to-Substrate distance on the deposition morphology of BNCT lithium target film
编辑推荐：
锂膜制备过程中源-基板距离（SSD）对沉积形态和质量的影响研究。通过真空蒸镀系统优化SSD参数，结合沉积速率与基底温度分析，发现SSD显著影响薄膜厚度分布和缺陷形成机制。优化后的锂膜应用于BNCT中子源制备，验证了工艺的有效性。
王小龙|李江刚|王继超|王凯松|刘星|孟宪才|梁丽珍
安徽科学技术大学，淮南，232001，中国
摘要
锂（Li）靶材对于紧凑型中子源至关重要。制备高活性、大面积的锂薄膜是制造锂靶材的关键步骤。本研究提出了一种真空蒸发镀膜系统，用于获得高质量的锂薄膜。本文探讨了锂真空蒸发镀膜过程中的关键参数（尤其是源到基底距离（SSD）对锂薄膜沉积形态的影响。同时分析了薄膜沉积速率和基底温度在不同SSD条件下的影响，并对界面形态进行了微观表征。最终，通过优化工艺制备出了合格的锂靶材，该靶材被应用于硼中子俘获疗法（BNCT）中以产生所需的中子。
引言
锂（Li）是研究聚变能的重要材料[1]、[2]、[3]。在磁约束聚变装置中，锂能够提供更稳定的等离子体[4]、[5]、[6]。此外，锂薄膜可以涂覆在铜基基底上作为锂靶材，用于产生高能中子（例如p + Li反应），以用于治疗应用，如硼中子俘获疗法（BNCT）[7]、[8]、[9]。锂靶材的制造技术包括设计具有高效散热性能的冷却结构以及优化高活性、大面积锂薄膜的制备工艺。项目团队已经完成了锂靶材冷却结构的设计[10]，并将进一步研究锂薄膜的制备技术。
锂具有较高的活性，能够快速吸收氧气、氢气和水。因此，锂薄膜必须在真空环境中制备[11]。例如，石山S.的研究团队采用了原位电子束真空沉积技术[12]、[13]、[14]；Andrew S. Westover[15]使用真空蒸发法制备了锂薄膜。已确定多个影响薄膜质量的因素[16]，包括真空度、蒸发温度和源到基底距离（SSD）。真空度是决定锂原子平均自由程的关键因素，而蒸发温度显著影响其动能分布。此外，SSD的变化会显著影响薄膜的形态、厚度分布及相关性能[17]。Beriham Basha[18]研究了SSD对Cu3N薄膜生长、质量和性能的显著影响，并展示了不同SSD条件下薄膜质量的变化。LI Kai[19]提出，随着SSD的增加，薄膜厚度可能会减小，因为从源到基底的沉积效率降低。Asad Ur Rehman Khan[20]指出，SSD通常有几厘米的大小，其调整会影薄膜的生长速率和厚度。目前关于真空蒸发过程中SSD对锂薄膜沉积行为的研究仍然有限，特别是在聚变装置或BNCT靶材应用方面。因此，研究SSD对锂薄膜质量的影响至关重要。这项研究将为工艺优化和薄膜性能控制提供理论基础和实验验证。
本文重点探讨了真空蒸发沉积工艺参数对高活性、大面积锂薄膜沉积质量的影响，特别是SSD变化对薄膜形态和缺陷的影响。首先设计并构建了一个可调节距离的真空蒸发镀膜系统，然后使用微观结构表征方法测量了不同SSD条件下制备的锂薄膜样品的厚度和横截面形态。通过分析薄膜沉积速率和基底温度，全面分析了薄膜形态和缺陷形成规律。最后，采用优化工艺制备的锂靶材被应用于BNCT装置中。
章节片段
真空蒸发原理
在真空镀膜室内，锂金属被加热至蒸发温度，逐渐形成高浓度的锂蒸气。锂蒸气通过近乎自由的分子流动从蒸发源扩散到基底表面。当锂蒸气到达相对低温的基底时，其动能迅速降低，在表面凝结成固态原子或簇。
结果与讨论
本节将系统地分析SSD对锂薄膜形态的影响。SSD不仅影响锂蒸气在传输过程中的冷却、扩散和碰撞过程，还影响锂原子到达基底时的能量状态和沉积行为，从而影响薄膜形态[27]、[28]。因此，利用不同SSD参数下的沉积速率和基底温度分析了锂薄膜形成质量的影响机制。
锂靶材在BNCT中的应用
根据先前的设计，制备了靶材原型，如图11(a)所示。图3(a)中的基底板及其上方的挡板被移除，需要镀锂的铜靶材直接安装在室内，其表面朝向蒸发源。锂薄膜通过优化的真空蒸发工艺制备（蒸发温度为450°C，SSD为6cm）。制备好的锂靶材被用于...
结论
本研究开发了一套真空蒸发锂薄膜系统，以满足BNCT锂靶材的需求。通过该系统，研究了SSD对锂靶材沉积质量的影响，得出以下结论：
1.SSD对薄膜沉积的影响。
辐射热输入、凝结潜热释放和温度依赖的辐射发射之间的竞争决定了基底温度。
作者贡献声明
王继超：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。王凯松：监督。王小龙：撰写 – 原稿撰写，正式分析，数据管理。李江刚：撰写 – 审稿与编辑，监督。孟宪才：验证，资金获取，数据管理。梁丽珍：监督，数据管理。刘星：数据管理
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了合肥综合性国家科学中心能源研究所（安徽能源实验室）（项目编号21KZS202）、中国国家自然科学基金（合同编号2024YFE030078）以及安徽省自然科学基金（项目编号2308085MA22）的资助。
术语表
- ΦEvap：
- 每秒锂原子蒸发通量（原子/m2·s）
- Pvapor：
- 表面蒸气压（Pa）
- Tliquid：
- 表面温度（°C）
- K
- 玻尔兹曼常数（1.380649 × 10-23 J/K）
- Qoven
- 锂的蒸发速率（g/h）
- m
- 锂的质量（g）
- ΔG*
- 临界自由能（J）
- ΔGV
- 单位体积的相变自由能（J·m-3
| ΔG | - 自由能变化（J）
- L
- 薄膜沉积速率（m/s）
- r
- 临界核半径（m）
- γ
- 界面能（表面张力）（J·m-2
| T | s- 基底温度（K）
- Ω
- 原子体积（m3
- Ds
- 表面
