高能Al/Ni超晶格实现高速微等离子体生成与增强飞片速度

摘要

本文报道通过高真空磁控溅射在Al₂O₃衬底上沉积制备高能Al/Ni超晶格，并表征其性能。双层厚度~25 nm（≈15 nm Al + 10 nm Ni）形成有序周期结构，透射电镜（TEM）确认。当施加充电至2.9-4.1 kV的0.22 μF电容器时，超晶格表现出显著电爆响应，在几百纳秒内生成微等离子体。等离子体输出通过飞片速度测量量化，超越常规500 nm Al/Ni多层膜，达到>3 km s⁻¹。结果表明Al/Ni超晶列可作为高效微等离子体发生器，以更低能量输入实现改进的引爆药性能。

引言

反应多层膜（RMFs）在交替纳米层中储存化学能，受外部刺激触发时发生爆炸性反应。其反应速度和峰值温度强烈依赖成分和层几何结构。Al/Ni RMFs因高反应热（~330 cal g⁻¹）、优良制造性和低成本备受青睐。大量研究确立减小双层厚度可增加燃料/氧化剂界面面积、缩短扩散距离，从而加速反应并提高峰值温度。但当双层厚度降至~20 nm以下，过度互扩散会降低性能。

当双层间距进入亚纳米级，获得高能Al/Ni超晶格。此结构提供超短反应物间距和大互扩散区，导致不同于常规RMFs的独特反应动力学。前人用差示扫描量热、TEM、时间分辨X射线微衍射表征此类超晶格，揭示因扩散距离受限而无亚稳相存在。

尽管燃烧表征研究丰富，Al/Ni超晶格在高压电刺激下的电响应和等离子体生成仍探索不足。本研究在Al₂O₃衬底沉积Al/Ni超晶格，制成蝴蝶结桥结构，用高压脉冲电容器驱动评估其电学和等离子体行为。

实验方法

高能Al/Ni超晶格样品通过在Al₂O₃衬底上交替沉积Al和Ni层制备，靶材纯度99.99 wt%。溅射室基压5×10⁻⁵ Pa，氩气压0.8 Pa。Al和Ni均以90 W溅射，沉积速率约15 nm min⁻¹和10 nm min⁻¹，得双层厚度~25 nm（≈15 nm Al + 10 nm Ni），总膜厚~4 μm，保持总体1:1原子比（厚度比3:2）。对照制备常规500 nm双层Al/Ni RMFs，条件相同。顶部溅射20 nm铜层改善与陶瓷塞电接触。

微等离子体发生器采用标准MEMS工艺制备。0.5 mm厚4英寸Al₂O₃晶圆经丙酮、异丙醇、去离子水超声清洗，100°C烘烤30 min。氧等离子清洗后沉积高能超晶格。正性光刻胶（AZ5214E）5000 rpm旋涂60 s，100°C预烤90 s。UV曝光（16 mJ cm⁻²）后NaOH显影形成蝴蝶结桥图案。铝刻蚀剂（Al Etchant Type A, Transene）30°C刻蚀至~4 μm深。切割后丙酮除残余光刻胶，芯片安装于陶瓷塞完成发生器。

截面结构用TEM检查。微等离子体发生器用充电2.9-4.1 kV的0.22 μF电容器激励。罗戈夫斯基线圈和高压探头捕获电流-电压波形，示波器记录。同时超高速相机（SIM, SIL3001-00-H06）以10 ns曝光、20-50 ns帧间隔记录等离子体演变，光电二极管监测光强。脉冲发生器、相机、示波器通过数字延迟发生器（DG535）同步。此外用光子多普勒测速（PDV）驱动30 μm Kapton飞片测量飞片速度。

结果与讨论

图3a显示高能Al/Ni超晶格明场TEM图像。周期性双层堆叠清晰分辨，约15 nm Al和10 nm Ni层。选区电子衍射确认两相均为明确多晶结构。对比图3d较厚500 nm双层RMFs，层对比度因互扩散增加而不清晰。

图4a展示3.5 kV充电电容器下电压、电流、光强、能量演变。初始焦耳加热升温桥，电压逐渐上升。温度超阈值时Al/Ni层汽化电离，形成低电阻等离子体通道，电流尖峰、电压骤降。爆炸性跃迁伴随强烈光爆发，标志等离子体形成。

图4b实时捕捉等离子体膨胀。初始焦耳加热相持~168 ns。~218 ns突然电压浪涌伴随蝴蝶结桥全宽强烈发光，标志蒸发开始。~258 ns峰值电压指示爆炸和等离子体生成，随后快速膨胀可产生激波。无离散燃烧产物暗示由等离子体驱动的均匀爆炸。

对2.9-4.1 kV充电电压下电压-电流曲线积分，提取延迟时间(T_b)和临界爆炸能量(E_c)。图5a显示T_b随充电电压升高而减小，E_c增加。趋势表明更高电能输入缩短点火延迟并提高完全爆炸所需能量。4.1 kV下更均匀电流分布解释了延迟减少和临界能量增加。

飞片速度测量显示对充电电压明显依赖。图6a最大速度从2.9 kV时~2.3 km s⁻¹升至4.1 kV时>3.0 km s⁻¹。这些速度显著高于500 nm双层RMFs，确认超晶格优越能量密度。Gurney能量模型关联飞片速度与等离子体单位质量输送能量，预测更高爆炸电流密度应产生更高速度。但常规RMFs实验数据显示相反趋势，暗示Al/Ni超晶格化学反应经等离子体形成增强，贡献超出纯电输入的额外能量。

结论

我们证明了磁控溅射在Al₂O₃上制备的25 nm双层厚度Al/Ni超晶格可作为高效微等离子体发生器。0.22 μF电容器充电至4.1 kV时，器件表现出快速电爆响应，<300 ns内产生等离子体，飞片速度超3 km s⁻¹。这些速度超越500 nm Al/Ni RMFs，确认超晶格化学反应对等离子体膨胀贡献显著。结果表明高能Al/Ni超晶格是微/纳米等离子体引爆药的有前景候选者，为先进应用提供改进的能量转换和系统可靠性。

缩略语

RMFs

反应多层膜

TEM

透射电子显微镜