離子束技術在納米尺度形貌修飾方面的應用研究

摘要：納米材料由于其優異的性能而成為當前的研究熱點，這些都歸因于其微小尺寸和特殊結構。在實際應用中，可以通過多種方法來調整材料的結構和成分以獲得高性能的納米材料。迄今為止，離子束技術已廣泛應用于調節各種納米材料的性能。與傳統方法相比，離子束技術（包括離子注入，離子輻射和聚焦離子束等）都是純物理的過程，不會引入任何雜質到目標材料中。此外，離子束技術還具備高度的可控性和可重復性。本文主要介紹氪離子在晶體硅的微納米結構修飾方面的應用研究。

關鍵詞：離子束;微納結構;形貌修飾

材料是反映科學技術發展水平的重要標志之一。近年來，作為最杰出的新材料之一，納米材料已經成為人們關注的焦點。納米材料由于其特殊的結構而具備一些獨特的性能。當材料達到納米尺度時，其光、電、磁等屬性將會產生量子尺寸效應，表面和邊界效應以及庫侖阻塞效應。[1]目前，納米材料已經被廣泛應用于計算機、催化、傳感器、能源與環境保護等領域。[2]隨著應用需求的增強，人們希望能夠制造出性能更加出色的納米材料。為了改善納米材料的性能，摻雜、表面重構、半導體復合材料以及金屬納米粒子嵌入等技術均被應用于實驗中。[3]如今，離子束技術，包括離子注入、輻照和聚焦離子光束（FIB）均被廣泛應用于調控納米材料的性能。此外，離子束技術亦被認為是非常有前景的摻雜和表面改性技術。與在生長和擴散過程中進行摻雜的傳統技術相比，離子注入技術可以實現注入深度可控制性以及可重復性。此外，離子輻照也是一種有效調節材料形態和表面結構的方法。本文重點從晶體硅微納結構在氪離子束照射下橫向尺寸的變化，并采用橫斷面的觀測方法，以期獲得更為直觀的觀測橫向結構隨著離子束照射劑量的變化，為離子束在形貌控制方面提供詳細進一步的數據支撐。

1.實驗方法

本文首先采用聚焦離子束（FIB）在晶體硅表面刻蝕處寬度大約500納米，高約300納米的帶狀結構，并通過氫氟酸腐蝕以及高溫退火等過程除去刻蝕過程引入的損傷層。

為研究橫向結構參數變化對照射劑量的依賴性，本實驗采用能量為240keV的氪離子（Kr+2）在室溫23攝氏度的條件下進行照射，入射角度設定為5度，照射劑量分別為2、4、6、8、201015 ions/cm2。實驗結果與分析為了更為詳細的量化照射劑量對微納結構橫向尺寸的影響，此次測量分別觀測了微納結構的頂部、中部和底部。同時，為了表述方便，在插圖1上分別以大寫英文字母T、M、B對應的代表這三個觀測位置。觀測到的橫向尺寸隨著照射劑量增加的變化趨勢如圖1所示。實驗觀測結果表明：晶體硅微納結構的橫向尺寸變化基本上是隨著氪離子的照射劑量增加而增加。尤其是在較低劑量的情況下，晶體硅微納結構的頂部、中部和底部的觀測數據均反映此規律;隨著輻射劑量的進一步增加，微結構頂部（T）的橫向增量隨著劑量的增加而迅速減小至-20多納米;晶體硅微納結構的中部（M）橫向尺寸增量保持隨輻照劑量增加而緩慢增加的趨勢，而微結構底部（B）的橫向尺寸則依然保持隨輻照劑量增加而迅速增加的趨勢。

要理解該現象，我們要從離子束對材料的轟擊效果來入手進行分析。眾所周知，經過離子束輻射后的晶體材料，必然會產生很多缺陷。在劑量較低的時候以點缺陷為主，隨著劑量的增加，在輻照區域產生嚴重的位錯，直至完全轉變為非晶體態。這些缺陷以及位錯的產生都會給微納結構內部帶來極大應力，在外觀方面的體現就是形貌變化，如本次實驗觀測到的橫向尺寸變化-輻照后橫向尺寸增加，尤其是低劑量（2～4 1015 ions/cm2）輻射的情況下，效果非常明顯。至于高劑量（6～20 1015 ions/cm2）輻照后，底部（B）、中部（M）和頂部（T）的尺寸增量表現出不同趨勢，筆者認為主要是由于離子束轟擊材料的另一個效果，即濺射作用。在相同的離子和轟擊能量作用下，濺射的效果取決于離子的入射角度。微結構底部（T）區域、中部區域（M）和頂部區域（T）由于自身形貌的問題，其對應的離子濺射角度并不相同。因此頂部的離子濺射效果明顯最大，中部的情況次之，底部的情況最弱。總的效果就是頂部區域的膨脹效果在高劑量照射時，完全被壓制，甚至濺射的效果大于缺陷引起的橫向膨脹效果。中部區域的橫向膨脹效果基本被壓制，尺寸的橫向變化隨著劑量增加變化趨于穩定;底部區域濺射的效果并不是特別有效，多橫向膨脹的效果影響較弱。

3.結論

為了研究離子束在微納結構橫向尺寸方面的修飾效果，本研究通過觀測離子束照射前、后微納結構截面的三個不同縱向位置的橫向尺寸變化，發現橫向尺寸變化隨輻射劑量的變化規律，并對高劑量輻照后不同觀測位置的不同變化趨勢做出合理的分析和解釋。總之，氪離子束在形貌修飾方面有非常顯著的作用，同時也要注意避免高劑量引入的濺射效果，它將有可能會抑制輻照引起微納結構橫向膨脹效果。

參考文獻

[1] S. L. Brock， J. Am. Chem. Soc. 2004， 126， 14679.

[2] C. Tan， X. Cao， X.-J. Wu， Q. He， J. Yang， X. Zhang， J. Chen， W. Zhao， S. Han， G.-H. Nam， M. Sindoro， H. Zhang， Chem. Rev. 2017， 117， 6225.

[3] F. Lin， I. M. Markus， D. Nordlund， T.-C. Weng， M. D. Asta， H. L. Xin， M. M. Doeff， Nat. Commun. 2014， 5， 3529.

作者簡介：郭小偉，1978年2月，男，漢，湖北省武漢市人，博士研究生，漢口學院，講師， 研究方向：機械一體化.

（漢口學院 ?湖北 ?武漢 ?430200）