强脉冲离子束辐照薄金属靶的热力学过程研究

在回顾和总结现有强脉冲离子束诊断技术和能量沉积模型的基础上, 结合红外成像诊断分析, 基于能量平衡, 提出了强脉冲离子束在固体靶中功率密度分布模型, 并采用蒙特卡罗方法对其进行计算. 以该功率密度模型作为源项, 使用有限元分析方法模拟强脉冲离子束入射100 μm不锈钢靶后内部温度场在毫秒时间范围内的分布和演化. 结果显示, 在微秒时间范围内, 热场以存在于近表面区域数倍于离子射程范围内的冲击热场为主要特征; 而在毫秒时间范围内, 靶的前后表面(纵向)已达到温度平衡, 且靶后表面温度场和入射前表面的离子束横截面能量密度具有空间分布的相似性. 这证明了, 在采用具有毫秒响应速度的红外拍摄系统的情况下, 背面红外诊断技术可以实现以较高的精度对强脉冲离子束横截面的能量分布进行诊断和分析.     

离子能量和沉积温度对离子束沉积碳膜表面形貌的影响

利用质量分离的低能离子束沉积技术,得到了非晶碳膜.所用离子能量为50—200eV,衬底温度从室温到800℃.在沉积的能量范围内,衬底为室温时薄膜为类金刚石,表面非常光滑;而600℃下薄膜主要是石墨成分,表面粗糙.沉积能量大于140eV,800℃时薄膜表面分立着高度取向的、垂直衬底表面、相互平行的开口碳管.用高分辨电子显微镜看到了石墨平面的垂直择优取向,离子的浅注入和应力是这种优先取向的主要机理. 关键词： 非晶碳 表面形貌 质量分离低能离子束     

非晶氧化钛薄膜形成过程中钛离子能量对表面结构影响的机理

研究了非晶氧化钛薄膜沉积过程中入射钛离子能量对表面结构形成机理以及薄膜特性的影响.模拟结果表明,通过提高入射钛离子能量,可以有效降低成膜表面粗糙度,从而减小薄膜表面的光学散射损耗.研究发现,当入射离子能量提高后,薄膜生长模式从"岛"状生长过渡到了"层"状生长,且离子入射点附近的平均扩散系数也有显著增加,这有利于形成更加平整的高质量薄膜表面.     

低能原子沉积在Pt(111)表面的分子动力学模拟

采用嵌入原子方法的原子间相互作用势,利用分子动力学方法模拟了六种贵金属原子(Ni,Pd,Pt,Cu,Ag,Au)分别在Pt(111)表面低能沉积的动力学过程.结果表明:随着入射能量从0.1eV升高到200eV,基体表面原子是按层迁移的,沉积过程对基体表面的影响和沉积原子在基体表层的作用均存在两个转变能量(ET1≈5eV,ET2≈70eV).当入射能量低于5eV时,基体表面几乎没有吸附原子和空位形成,沉积原子在基体表层几乎没有注入产生;当入射能量在5—70eV范围内时,沉积原子在基体表层有注入产生,其注入深度小于两个原子层,即为亚注入,此时吸附原子主要由基体表层原子形成,基体表面第三层以下没有空位形成;当入射能量高于70eV时,沉积原子的注入深度大于两个原子层,将会导致表面以下第三层形成空位,并且空位产额随入射能量的升高而急剧增加.基于分子动力学模拟的结果,对低能沉积作用下的薄膜生长以及最优沉积参数的选择进行了讨论.     

基于离子束溅射大口径光学元件平坦化层均匀性研究

针对大口径光学元件溅射沉积膜厚不均匀的问题,采用离子束溅射平坦化层来改善光学元件表面粗糙度.利用膜厚检测仪测出光学元件沉积面上的中心区域以及各边缘区域的膜厚值,计算离子束在光学元件中心与边缘驻留时间比,并通过MATLAB拟合驻留时间分布规律,根据所得的数据进行逐级修正.实验结果表明,当驻留时间比优化为-26.6%时,可以实现在直径300～600mm大口径的光学元件上均匀镀膜,以熔石英表面上镀硅膜为例,溅射沉积6h,表面膜厚为212.4±0.3nm,薄膜均匀性达到0.4%.     

碰撞效应对入射到射频偏压电极上离子能量分布和角度分布的影响

考虑了离子与中性粒子的弹性碰撞和电荷交换碰撞效应,建立了一套描述射频等离子体鞘层动力学特性的自洽模型,并利用MonteCarlo模拟方法研究了入射到电极上的离子的能量分布和角度分布.数值结果表明:随着放电气压增加,入射到电极上离子的能量分布逐渐地由双峰分布变成单峰分布,而且低能离子的数目也逐渐地增加.入射到电极上的离子呈小角分布,而且放电气压等参数对角度分布的影响不是太明显. 关键词： 射频放电 等离子体 离子 鞘层     

F原子与SiC(100)表面相互作用的分子动力学模拟

本文采用分子动力学模拟方法研究了F原子(能量在0.5—15 eV之间)与表面温度为300 K的SiC(100)表面的相互作用过程. 考察了不同能量下稳定含F反应层的形成过程和沉积、刻蚀过程的关系以及稳定含F反应层对刻蚀的影响. 揭示了低能F原子刻蚀SiC的微观动力学过程. 模拟结果表明伴随着入射F原子在表面的沉积量达到饱和,SiC表面将形成一个稳定的含F反应层. 在入射能量小于6 eV时,反应层主要成分为SiF₃,最表层为Si-F层. 入射能量大于6 eV时,反应层主要成分为SiF. 关键词： 分子动力学 刻蚀 能量 SiC     

入射能量对Au/Au(111)薄膜生长影响的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟了Au原子在Au(111)表面低能沉积的动力学过程.采用嵌入原子方法的原子间相互作用势,通过对沉积层原子结构的分析和薄膜表面粗糙度、层覆盖率的计算,研究了沉积粒子能量对薄膜质量的影响及其机制.结果表明:当入射能量Ein25 eV时,沉积层和基体表层均呈现规则的单晶面心立方(111)表面的排列,沉积原子仅注入到基体最表面两层,随着入射能量的增加,薄膜表面粗糙度降低,薄膜越趋于层状生长,入射能量的增加有利于薄膜的成核和致密化;当Ein 25 eV时,沉积层表面原子结构出现了较为明显的晶界,沉积原子注入到基体表面第三层及以下,随着入射能量的增加,薄膜表面粗糙度增加,沉积层和基体表层原子排列越不规则,载能沉积会降低基体内部的稳定性,导致基体和薄膜内部缺陷的产生,降低薄膜质量.此外,当基体内部某层沉积原子数约等于该层总原子数的一半时,沉积原子将能穿过该层进入到基体内部更深层.     

Be原子在Be基底上的沉积过程研究

利用分子动力学方法模拟了Be原子在Be基底上的沉积过程. 模拟了沉积粒子不同入射动能条件下, 沉积薄膜表面形态的差异. 在一定能量范围内, 增加粒子入射动能可以减小薄膜的表面粗糙度. 但是, 过高的入射动能, 不利于减小薄膜表面粗糙度. 通过沉积薄膜中原子配位数以及单个原子势能沿薄膜厚度的分布, 分析沉积原子入射动能对于薄膜及表面结构的影响. 沉积动能较大时, 薄膜的密度较大; 单个原子势能沿薄膜厚度分布较为连续; 同时薄膜中原子应力沿薄膜厚度分布较为连续. 最后, 分析了沉积粒子能量转化的过程、粒子初始动能对基底表面附近粒子局部动能增加的影响.     

低能离子束诱导Ag表面纳米金字塔微结构

利用离子束溅射诱导实验方法,在单晶Si(100)基底上辅助沉积银膜,研究了低能Ar+离子束30°入射时,不同离子束能量和束流密度以及基底温度对Ag纳米结构的影响.结果表明:在较低基底温度下(32~100℃)辅助沉积银膜,膜层表面会呈现排列紧密、晶粒尺寸一致的金字塔状纳米结构.当温度升高时(32~200℃),纳米微结构横向尺寸λc迅速增加,而粗糙度先减小(32~100℃)后迅速增大(100~200℃);当离子束能量1 400eV、束流密度15~45μA/cm2时,在相同温度下,随着离子束束流密度的增大,纳米晶粒横向尺寸基本不变,粗糙度略有增加;当离子束流密度为15μA/cm2、能量1 000~1 800eV时,在相同温度下,随着离子束能量的增加,银纳米结构尺寸增加,而表面粗糙度先增加,然后缓慢减小.自组织纳米结构的转变是溅射粗糙化和表面驰豫机制相互作用的结果.     

Collinear laser ion beam spectroscopy

Collinear Laser Ion Beam Spectroscopy (CLIBS) investigates hyperfine structures (hfs) and isotope shifts (IS) in spectral lines and is well suited for the study of nuclear moments of short-lived isotopes. It is fast, highly selective, highly sensitive and allows many experimental alternatives. The high accuracy makes it also an interesting tool for atomic physics. A basic experimental setup is described. Results for nuclear moments and radii in Sm, Eu, Gd show that the accuracy of hfs and IS data is much better than the resulting moments. We discuss the hfs-anomaly and its dependence on atomic quantum numbers (L, S, J) and show that its determination is possible without the knowledge of the nuclear magnetic moments. A hfs-anomaly in respect of the nuclear quadrupole moment was not found. IS-measurements are used to determine permanent and fluctuating nuclear deformation. The standard interpretation is inconsistent in the case of Eu. Modifications of the theory are suggested. Crossed second order (CSO) effects affect the IS values. We show that CSO-effects may help to determine the field effect of the IS experimentally.     

ECR ion source based low energy ion beam facility

Mass analyzed highly charged ion beams of energy ranging from a few keV to a few MeV plays an important role in various aspects of research in modern physics. In this paper a unique low energy ion beam facility (LEIBF) set up at Nuclear Science Centre (NSC) for providing low and medium energy multiply charged ion beams ranging from a few keV to a few MeV for research in materials sciences, atomic and molecular physics is described. One of the important features of this facility is the availability of relatively large currents of multiply charged positive ions from an electron cyclotron resonance (ECR) source placed entirely on a high voltage platform. All the electronic and vacuum systems related to the ECR source including 10 GHz ultra high frequency (UHF) transmitter, high voltage power supplies for extractor and Einzel lens are placed on a high voltage platform. All the equipments are controlled using a personal computer at ground potential through optical fibers for high voltage isolation. Some of the experimental facilities available are also described.     

热蒸发与离子束溅射制备LaF3薄膜的光学特性

研究了钼舟热蒸发工艺和离子束溅射方法制备的单层LaF₃薄膜的特性。首先,采用分光光度计测量了LaF₃薄膜的透射率和反射率光谱,使用不同模型拟合得出薄膜的折射率和消光系数。然后,采用应力仪测量了加热和降温过程中LaF₃薄膜的应力-温度曲线。最后,采用X射线衍射仪测试了薄膜的晶体结构。实验结果表明,热蒸发制备的LaF₃（RH LaF₃）存在折射率的不均匀性,在193 nm,其折射率和消光系数分别为1.687和5×10^-4,而离子束溅射制备的LaF₃（IBS LaF₃）折射率和消光系数分别为1.714和9×10^-4。两种薄膜表现出相反的应力状态,RH LaF₃薄膜具有张应力,而IBS LaF₃具有压应力,退火之后其压应力减小。热蒸发制备的MgF₂/LaF₃减反膜在193 nm透过率为99.4%,反射率为0.04%,离子束溅射制备的AlF₃/LaF₃减反膜透过率为99.2%,反射率为0.1%。     

宽束冷阴极离子源分时中和技术的研究

离子束辅助镀膜沉积过程中,绝缘薄膜表面的电荷积累效应严重影响了薄膜质量。通过对宽束冷阴极离子源引出栅部分的改进,采用分时引出电子和离子方法,使正负电荷中和,以消除薄膜表面的放电现象,并对引出电子束的束流密度、能量、发射角等参数进行了测试。实验结果表明：在引出电压为600V时,电子的平均能量为100eV左右;引出电子束的发射角可以达到±40°,在±15°范围内的束流密度波动小于±5%。引出电子的束流密度较同参数下的离子束流密度小,通过调节脉冲电源的占空比,可达到很好的中和效果。     

Radioactive ion beam post-acceleration at ISAC

ISAC at TRIUMF is a world-class facility for the production and post-acceleration of radioactive ion beams (RIB). Commissioned in 2002 the ISAC I linear accelerator serves three different beam lines delivering both stable and radioactive species. Two of them are permanent experiments (DRAGON and TUDA); the third one is a general purpose station (GPS). The maximum energy we can reach in ISAC I is 1.8 MeV/u. ISAC II is a phased upgrade of the ISAC facility. The beam coming from ISAC I is injected at 1.5 MeV/u into a new superconducting LINAC. In `Phase I' the LINAC adds 20 MV to the beam energy and 20 MV more will be added in `Phase II'. The paper will give an overview of both the ISAC I and ISAC II accelerators. Operational experience with accelerating RIBs in ISAC I is summarized. First ISAC II commissioning results are presented.     

扫描离子束云纹法

提出了一种在微米尺度下测量物体面内位移的新型扫描离子束云纹法。对该方法的测量原理以及变形测量的精度进行了阐述。以平行云纹和转角云纹为典型实验对该方法的测量精度进行了检验。该方法成功地应用于微电子系统结构在去除SiO2牺牲层后的残余变形测量。实验结果证实了该方法的可行性。     

A gas cluster ion beam accelerator

An assembled CO₂ gas cluster ion beam system was assessed using a retarding field analyzer and a time-of-flight mass spectrometer. The CO₂ gas was expanded to form gas clusters at the input pressure of 1–5 bar through a quartz Laval nozzle. At 4 bar, it is confirmed that the clusters consisted of about 500 molecules. Also the dependence of the mean cluster size distribution on source temperature was examined. At the low fluence of ion beam, an isolated gas cluster ion impact on solid surfaces was investigated. CO₂ gas cluster ions were irradiated at the acceleration voltage of 40–60 kV on highly oriented pyrolytic graphite. Si with native oxide layers, and Cu film deposited on Si wafer. After very short exposure of cluster ions, induced hillocks with about 0.8–1 nm in height and 20 nm in width were outgrown from the impacted surfaces. After prolonged irradiation on Si and Cu/Si, humping was more developed and consequently the surface morphology seemed to be saturated because of gradual filling the gap between the hillocks.     

全息离子束刻蚀衍射光栅

全息离子束刻蚀衍射光栅集中了机械刻划光栅的高效率和全息光栅的无鬼线、低杂散光、高信噪比的优点．全息离子束刻蚀已作为常规工艺手段应用于真空紫外及软x射线衍射光栅的制作．文章对全息离子束刻蚀衍射光栅的制作方法、主要类型、研究现状和应用进行了综述．