釕(Ru)位于元素周期表中Ⅷ族和第五周期，為鉑族金屬，與鋨元素性質最為相似。1840 年，俄國人克勞斯在處理礦渣時，偶然發現了貴金屬釕，這是釕的首次發現，是貴金屬元素中被發現最晚的元素[1]。釕在鉑族金屬中性質比較特殊，其顏色為純白色，硬而脆，不易機械加工，粉末狀顏色為灰色或灰黑色由其粉末顆粒大小決定，熔點為 2310℃，沸點為 3900℃，密度為 12.30 g/cm3，具有很強的催化性能，以及非常高的穩定性，與王水、氫氟酸均不反應[2-4]。由于釕所具有的特殊性質，其主要應用于催化、合金、電鍍、熒光材料合成、電子行業等方面，釕產品有催化劑、電接觸材料、焊料、電極材料以及濺射靶材等[5-6]。隨著近年來電子工業的蓬勃發展，對一些新興材料的研究和需求也越來越多，從目前來看濺射用釕靶越來越大，將成為釕的主要用途之一。
釕靶是以磁控濺射的方法在磁盤上濺射一層薄膜，這層薄膜在磁記錄結構中有著非常重要的作用，在半導體工業中也廣泛應用，主要用作濺射金屬化薄膜，作為半導體電路里的擴散阻擋層，且釕靶在濺射成膜中的作用其他材料無法替代[7-8]。當前釕靶的生產主要集中在日本、美國、德國，釕靶質量高但價格昂貴。而國內起步比較晚，昆明貴金屬研究所一直從事于貴金屬的研發和生產，在釕靶的開發和研究上有一定的進展，但仍處于探索階段，對于高性能靶材的生產還存在缺陷。據統計，目前國內電子行業對高質量釕靶的需求是全世界最多的國家，而國內生產釕靶的數量和質量，遠遠不能滿足國內的需求，所以對釕靶性能和生產的研究已經迫在眉睫，高性能的釕靶需求對我國釕靶材的發展提供了機遇和挑戰[9-11]。
影響釕靶濺射性能的主要因素是純度、致密度以及晶粒大小等，所以對制備的釕粉性能要求比較苛刻，比如純度(99.999%)、雜質的控制及含量、釕粉末形貌、粉末的粒度大小和分散性質等[12-14]。本文分析和介紹國內外制備釕靶用釕粉的性能。
1、傳統釕粉制備方法
釕粉的制備是對釕產品后續加工非常重要的一步。傳統釕粉制備有方法是將釕的原材料溶于濃堿溶液中，并加入強氧化劑加熱，強堿性溶液中釕被氧化，生產氣態的四氧化釕。通過蒸餾的手段，用鹽酸吸收四氧化釕，生成氯釕酸，再加入過量的氯化銨，生成氯釕酸銨。過濾烘干得到氯釕酸銨，再對氯釕酸銨煅燒，氫還原，生成釕粉。對釕粉進行機械破碎，最終得到釕粉。其中堿溶氧化蒸餾，并用鹽酸吸收的化學方程式如下：
Ru+8NaOH+4Cl2=RuO4+8NaCl+4H2O (1)
RuO4+10HCl=H2RuCl6+4H2O+2Cl2↑ (2)
加入氯化銨后生產氯釕酸銨的化學方程式為：
H2RuCl6+2NH4Cl=(NH4)2RuCl6↓+2HCl (3)
煅燒還原的化學方程式為：
3(NH4)2RuCl6=3Ru+6HCl+2NH4Cl+2N2↑ (4)
NH4Cl=NH3↑+HCl↑ (5)
2Ru+nO2↑=2RuOn (6)
RuOn+nH2=Ru+nH2O (n = 1~3) (7)
另一種方法是將含釕的氯釕酸溶液或三氯化釕溶液，加入 10%氫氧化鈉溶液，并不斷攪拌，使釕水解呈水合氧化物析出。控制最終 pH=7~8，溶液靜置一段時間，過濾，烘干，得到二氧化釕粉末。
再經過煅燒還原得到釕粉。其中氯釕酸與堿的反應如下：
H2RuCl6+6NaOH=Ru(OH)4↓+6NaCl+2H2O (8)
濺射成膜中的作用其他材料無法替代[7-8]。當前釕靶的生產主要集中在日本、美國、德國，釕靶質量高但價格昂貴。而國內起步比較晚，昆明貴金屬研究所一直從事于貴金屬的研發和生產，在釕靶的開發和研究上有一定的進展，但仍處于探索階段，對于高性能靶材的生產還存在缺陷。據統計，目前國內電子行業對高質量釕靶的需求是全世界最多的國家，而國內生產釕靶的數量和質量，遠遠不能滿足國內的需求，所以對釕靶性能和生產的研究已經迫在眉睫，高性能的釕靶需求對我國釕靶材的發展提供了機遇和挑戰[9-11]。
影響釕靶濺射性能的主要因素是純度、致密度以及晶粒大小等，所以對制備的釕粉性能要求比較苛刻，比如純度(99.999%)、雜質的控制及含量、釕粉末形貌、粉末的粒度大小和分散性質等[12-14]。本文分析和介紹國內外制備釕靶用釕粉的性能。
1、傳統釕粉制備方法
釕粉的制備是對釕產品后續加工非常重要的一步。傳統釕粉制備有方法是將釕的原材料溶于濃堿溶液中，并加入強氧化劑加熱，強堿性溶液中釕被氧化，生產氣態的四氧化釕。通過蒸餾的手段，用鹽酸吸收四氧化釕，生成氯釕酸，再加入過量的氯化銨，生成氯釕酸銨。過濾烘干得到氯釕酸銨，再對氯釕酸銨煅燒，氫還原，生成釕粉。對釕粉進行機械破碎，最終得到釕粉。其中堿溶氧化蒸餾，并用鹽酸吸收的化學方程式如下：
Ru+8NaOH+4Cl2=RuO4+8NaCl+4H2O (1)
RuO4+10HCl=H2RuCl6+4H2O+2Cl2↑ (2)
加入氯化銨后生產氯釕酸銨的化學方程式為：
H2RuCl6+2NH4Cl=(NH4)2RuCl6↓+2HCl (3)
煅燒還原的化學方程式為：
3(NH4)2RuCl6=3Ru+6HCl+2NH4Cl+2N2↑ (4)
NH4Cl=NH3↑+HCl↑ (5)
2Ru+nO2↑=2RuOn (6)
RuOn+nH2=Ru+nH2O (n = 1~3) (7)
另一種方法是將含釕的氯釕酸溶液或三氯化釕溶液，加入 10%氫氧化鈉溶液，并不斷攪拌，使釕水解呈水合氧化物析出。控制最終 pH=7~8，溶液靜置一段時間，過濾，烘干，得到二氧化釕粉末。
再經過煅燒還原得到釕粉。其中氯釕酸與堿的反應如下：
H2RuCl6+6NaOH=Ru(OH)4↓+6NaCl+2H2O (8)
烘干以及煅燒還原反應方程式為：
Ru(OH)4=RuO2+2H2O↑ (9)
RuO2+2H2=Ru+2H2O (10)
第三種方法是將粗釕置于濃堿中，加入強氧化劑并加熱，將釕轉化為四氧化釕氣體。用鹽酸吸收，轉變為氯釕酸，分離粗釕中含有的微量鉑族金屬和普通金屬。最后采用加壓氫還原，可直接制取釕粉末。該過程堿溶和鹽酸吸收反應方程式為(1)、(2)，
加壓氫還原方程式為：
H2RuCl6+2H2=Ru+6HCl (11)
以上為釕粉主要的傳統制備方法[15-17]，至今仍然主要應用于釕粉的生產過程中，但隨著電子行業的快速發展，對釕靶以及高性能釕產品的急切需求，使得高質量釕粉的制備廣受關注，國內外許多科研人員對此進行研究，使得釕靶所用釕粉的制備有一定的進展。
2、國外釕靶用釕粉制備方法
目前，國外對于釕靶用釕粉的制備研究較多。特別是美國和日本，由于其電子行業發展迅速，使得對釕靶需求的時間比國內早，促進了相關釕粉制備技術的研究，其中有些因為保密未見報道。本文以國外報道的相關文獻，總結國外釕靶用釕粉的制備方法。
美國專利“制備高純釘濺射靶材的方法”[18]以粗釕(99.9%)為原料，置于 NaOH 溶液中，并通入氯氣，生成四氧化釕氣體。將溶液加熱到 80℃，通入臭氧進一步將殘留的釕轉化為四氧化釕。用含 10%甲醇(體積比)的鹽酸(99.9999%)溶液吸收，將吸收液蒸干，得到含釕的結晶物。將釕結晶物在 300℃煅燒還原，并在氮氣條件下于 1500℃燒結，達到的釕的產率為 95%，純度為 99.995%。該專利中只分析了部分雜質元素的含量：U(<0.1×10-9)、Th( <0.2×10-9)、C(20×10-6)、Fe(0.5×10-6)、O(60×10-6)、Cl(<10×10-6)、
Na(0.1×10-6)、K(0.1×10-6)，其它雜質元素未見說明。
日本專利“釕薄膜濺射靶材的形成”[19]將粗釕堿溶，并通入氯氣飽和溶液，加熱生成氣體四氧化釕，用鹽酸吸收，反復吸收 3 次，將吸收液蒸干，得到RuOCl3。在 700℃下煅燒 20 h，得到二氧化釕，再將二氧化釕在氫氣中 900℃，保溫 10 h 還原，最終得到 99.999%的釕粉。其中 K、Ca、Na、Mg 總含量小于 5×10-6，Fe、Ni、Co 總含量小于 1×10-6，U、Th總含量小于5×10-9，其余雜質元素含量未作說明。
美國專利“制備高純釕的方法及其過程”[20]公開了一種高純釕粉的制備方法，該高純釕粉可用于釕靶的生產。將粗釕放置于流化床中，并通入臭氧，粗釕被臭氧氧化，生產四氧化釕氣體。四氧化釕與未反應的氣體一起送入收集罐中，在收集罐中四氧化釕被進一步熱分解，生成二氧化釕沉淀。再將二氧化釕沉淀粉末煅燒還原，最終得到高純釕粉，其
純度至少為 99.99%。該專利提供的雜質元素含量為(×10-6)：Ni 0.3、Cu 0.1、Cr 0.6、Fe 2.0、Al 0.3、Mg 0.1、Ca 0.2、Si 10。日本專利“制備高純銥或高純釕的方法”[21]以純度為 99.9%的釕粉為原料，通過電子束熔煉法，將純度為 99.9%的釕粉轉化為純度 99.999%的釕粉，單位體積具體工藝。該釕粉末適合釕靶的制備，雜質元素含量(×10-6)為：Ni <0.01、Cu 0.01、Cr <0.01、Fe 0.01、Al 0.01、Mg <0.01、Ca <0.01、Na 0.01、K <0.01。
美國專利“高純釕的制備方法”[22]將含有粗釕的次氯酸溶液中通入臭氧，用鹽酸吸收揮發出來的四氧化釕。蒸發干燥，得到 RuOCl3，在氫氣中煅燒還原，得到純度至少為 99.995%的釕粉。分析了 K、Ca、Na、Mg、Al、Fe、Cu、Cr、Co、Ni、U、Th、Os、Rh、Ir、Pt、Pd、Mo、Si、C 和氣態成分 O、N、H、Cl 共 24 種雜質元素，放射性金屬單含量小于 10×10-9，堿金屬和過渡金屬單含量小于 1×10-6，C 和氣體雜質元素總小于 500×10-6，且高溫熱壓的濺射釕靶的電阻率小于 6 μ?·cm。
Hisano 等[23]使用電化學方法，以純度為 99.9%的釕粉為原料，通過電化學法，可以將釕粉純度提高到 99.99%。該工藝如下：將粗釕置于電極的陽極，用隔膜固定釕粉，硝酸為電解液，石墨電極為陰極，電流大小為 20 A，電解時間為 20 h，電解完后將隔膜固定的釕粉取出，洗滌烘干，得到純度為 99.99%的釕粉。該工藝效果優異，工藝控制容易。
永井燈文等[24-25]從含釕的溶液中高效的制備高品質的釕粉，此釕粉的氯含量為 100×10-6 或以下，粒徑 95%~99 %小于 180 μm。工藝為：將含釕的溶液進行前處理，得到鹽酸酸性釕溶液。加入氯化銨，使釕溶液中的釕以(NH4)3RuCl6 沉淀出來。過濾并烘干，將烘干的(NH4)3RuCl6 沉淀，在惰性氣體或含氫氣的還原氣體中于 500~800℃煅燒。對煅燒后的產物進行機械破碎，得到含(NH4)3RuCl6 的釕粉末。最后在氫氣或者還原氣氛條件下，在 800~1000℃煅燒還原，最終得到釕粉。該釕粉的制備過程復雜，機械破碎易引進雜質，也沒有說明產品純度。本文筆者推測，(NH4)3RuCl6 的水溶性很大，釕的轉化率可能較低低，對該方法所得釕粉制作釕靶持懷疑態度。
3、國內釕靶用釕粉制備方法
國內電子行業發展較晚，但最近十幾年國內電子行業發展迅速，使得對相關材料需求量增多，特別是高性能靶材，釕靶就在其中。對目前電子市場的蓬勃發展和釕靶的大量需求，以及國內釕靶生產的幾乎空白，促使國內的一些研究院所和一些高校對釕靶的制備開始研究，特別是針對釕靶用釕粉的研究。經過近十年的研究，國內一些研究院所和部分高校取得了一定的成果。章德玉等[26]制備的釕粉純度達到 99.999%以上，該釕粉符合制備濺射釕靶材的要求，圖 1 為該工藝流程。
該工藝采用超重力旋轉填料床為氧化蒸餾設備，以一次氧化蒸餾鋨、釕的濃縮鹽酸吸收液為原料。第一段先加入 30%的 H2O2，使原溶液的鋨轉化為氣態四氧化鋨，并用 NaOH 溶液吸收，這一步為一段蒸餾除鋨。第二段向除掉鋨的原溶液中加入 9mol/L H2SO4 和 35% NaClO3 溶液，生成 RuO4 和OsO4 氣體，用四級吸收液來吸收氧化的氣體。前三
級為鹽酸吸收液吸收 RuO4 氣體，第四級為 NaOH吸收液吸收 OsO4 氣體，經過吸收液吸收得到氯釕酸溶液。再重復一次二段氧化蒸餾過程后，加入少量 H2O2使溶液中少量的 Ru(III)全部轉化為 Ru(IV)，加入飽和 NH4Cl 溶液，使氯釕酸轉化為氯釕酸銨，過濾烘干，得到高純的氯釕酸銨。將氯釕酸銨煅燒還原，在氮氣條件下于 500~800℃保溫 3~4 h、800~1000℃通氫還原 2 h，得到海綿釕。用 HCl+HNO3+HF 組成的混合酸煮洗海綿釕，最后在氮氣下烘干，得到釕粉。雜質元素含量(×10-6)為：K 0.05、Ca 0.75、
Na 0.63、Mg 0.50、Al 0.24、Fe 0.58、Cu 0.21、Cr 0.18、Co 0.27、Ni 0.24、U 0.0013、Th 0.0064、Os 0.70、Rh 0.35、Ir 0.14、Pt 0.27、Pd 0.06、Mo 0.09、Si 0.65、
C <20，氣態成分 O <50、N<10、H<10、C<10。釕粉的純度達到 99.9993%，符合釕靶材用高純釕粉的要求。該工藝采用多段蒸餾除雜，效果顯著，并且用酸煮的方式進一步提高了釕粉的純度，且釕粉純度達到 99.999%符合釕靶材用釕粉的要求，但該工藝流程相對復雜，難于控制操作過程中新雜質的引入，且該文章沒有提及到釕粉的粒徑。
韓守禮等[4]用含釕的廢舊硬盤來回收釕，并制備靶材用的釕粉，其工藝流程如圖 2 所示。
該工藝以含釕硬盤為原料，多次火法熔煉活化，再用鹽酸溶解。因為釕不溶于鹽酸，故只能得到活性釕黑。在強氧化劑條件下，將釕黑轉化為 RuO4氣體，并用鹽酸吸收，加入少量的 H2O2 使溶液中少量的 Ru(III)全部轉化為 Ru(IV)。再加入氯化銨，生成氯釕酸銨沉淀，過濾、洗滌、烘干，經煅燒、還原，得到較粗的釕粉。最后用特殊的制粉設備，可使釕粉的粒度達到靶用釕粉要求的同時不引入新的雜質。雜質元素含量(×10-6)為：Al<1、Fe 5、Cu 2、Ni<1、Rh<1、Ir <1、Pt 5、Pd 3、Pb 2、Si 1、Ag<1、Au<1、C 20，氣態成分 O 640、N 20，Mg、Mo、Cr、Co、Os 未檢出。由元素分析可知該方法制備的釕粉的純度最高為 99.99%，且沒有給出 K、Na、Ca、U、Th 等重要元素的含量的分析。用該方法制備的釕粉是否符合釕靶材用釕粉的要求存疑。
貴研鉑業股份有限公司進行了釕靶的生產，且生產出靶材用釕粉[14, 27]。主要工藝流程為：將固體三氯化釕溶鹽酸溶液中，加熱并通入氯氣。將溶液中低價態的釕轉化為高價態的釕，再加入氯化銨，生成氯釕酸銨沉淀。沉淀經離心機脫水，烘干、機械破碎，得到氯釕酸銨粉末。再經過 3 段溫度煅燒、氫還原，得到釕粉。最后經過高能球磨將得到的釕 粉細化，最終得到制備釕靶用高純釕粉。其工藝流程如圖 3 所示。該報道中沒有提到雜質元素的含量，也沒有給出釕粉具體參數。因釕的性質硬而且脆，不易球磨，球磨過程可能引入雜質，所得釕粉是否滿足釕靶生產存疑。
昆明貴金屬研究所董海剛等[28]在“一種用三氯化釕制備靶材用釕粉的方法”專利中，以三氯化釕為原料制備出靶用的高純釕粉。其具體步驟為：將固體的三氯化釕溶解于鹽酸溶液，得到氯釕酸溶液；將氯釕酸溶液經過離子交換樹脂除去溶液中的陽離子，得到凈化的氯釕酸溶液；再向溶液中加入堿溶液，得到氫氧化釕沉淀；繼續加入去離子水使溶液 漿化，調整 pH；再將其放入高壓釜中加熱，通氫還原，過濾、洗滌、烘干，最終得到高純釕粉。圖 4為其工藝流程，該發明最終所得釕粉的雜質含量低(小于 100×10-6，回收率在 99%以上。所得釕粉為球形，粒徑 2~5 μm。該工藝操作簡單，且回收率高，粒度分布均勻，但未提供純度及雜質元素含量分析結果。該粉末能否用在釕靶制備中需要進一步驗證。
昆明貴金屬研究所易偉等[29]在“一種高純球形釕粉的制備方法”的專利中，以粗釕為原料，將化學提純、霧化造粒以及微波煅燒相結合，制備出高純球形微米級釕粉，純度大于 99.995%，粒徑分布為10~20 μm，平均粒徑(D50)為 12 μm。具體工藝為：1) 采用蒸餾結合化學沉淀法，將粗釕溶解于飽和的堿液中。加熱到一定溫度后，通入氯氣，將釕溶液 中釕轉化為氣體四氧化釕，用濃鹽酸溶液吸收，再向吸收液中加入飽和氯化銨(優級純)溶液，生成氯釕酸銨沉淀，過濾、烘干，得到高純氯釕酸銨。2) 霧化造粒。將所得高純氯釕酸銨溶解于水中，配成懸濁液，通過霧化干燥設備，制備微米級球形的氯釕酸銨前驅體粉末。3) 微波煅燒還原。將前驅體粉末置于微波爐中，在氮氣氣氛中快速升溫至 400~ 600℃保溫 2 h，再通入氫氣，快速升溫至 800~1200℃，保溫 2 h，冷卻至室溫，可得到微米級釕粉。
該工藝操作簡單，節約能源，且操作過程中無雜質引入，所得到的釕粉為微米級，球形，分散性好，粒徑分布均勻，純度高(99.995%以上)。但尚需進一步完善后才能投入實際生產。
4、結語
本文分析了國內外釕靶材用釕粉的制備方法。
對比表明，日本、美國、德國等發達國家，在釕靶用釕粉的生產方法、工藝和測試方法上都建立了完整的研發體系。由于技術保密的原因，國外相關的研究報道和技術資料非常缺少。而國內相關的研究起步較晚，可借鑒的資料較少，所制備的釕靶材用釕粉與國外差距很大，質量普遍低，不能滿足生產磁記錄釕靶材的要求。
國內所制備釕靶用釕粉的不足在：純度不夠，除雜難度大；粉末粒徑分布不均勻，顆粒粒徑不易控制；粉末易團聚；形貌控制和致密度等。所生產的釕粉往往只能滿足上述指標中的一部分，不能全部滿足，所以解決以上不足是發展高性能釕相關材料的必經之路。
當前階段電子行業的快速發展，促使對新材料以及高性能材料的需求越來越迫切。未來電子材料的需求只增不減，發展新材料以及高性能材料來提高我國的科技實力和國際競爭力迫在眉睫。釕系靶材作為高密度磁記錄電子硬盤中不可或缺的材料，其用量正在逐年增加。我國由于所制備的釕粉不能滿足高性能釕靶材的需求，導致我國釕靶以及高性能釕粉市場幾乎被國外占據。目前國內僅有貴研鉑業股份有限公司和北京有色院能夠生產釕系靶材，但隨著電子材料要求的進一步提高，產品性能需要不斷提高。通過技術創新提高釕粉質量，才能確保釕系靶材性能，保持技術競爭力。
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