22、高能重离子与纳米天线在材料研究中的应用

高能重离子与纳米天线在材料研究中的应用

1. 高能重离子材料研究概述

德国达姆施塔特的重离子研究中心（GSI）利用大型加速器产生的高能重离子束开展材料研究，涵盖基础和应用等多个方面。GSI拥有多个重离子加速器，如HLI高电荷注入器、UNILAC直线加速器和SIS重离子同步加速器，能产生各种元素的离子束，且SIS可产生直至裸铀核的所有电荷态离子。不同加速器产生的离子束动能不同，HLI为1.4 MeV/amu，UNILAC为4 - 12 MeV/amu，SIS约为50 MeV/amu - 1 GeV/amu（轻元素可达2 GeV/amu）。GSI材料研究部门利用这些离子种类和动能对多种材料进行辐照，以实现广泛的研究目标。

1.1 研究方向

• 基础研究 ：主要关注重离子引起的固体变化，如晶格缺陷或相变，这些变化可能受高压或低温等因素影响。例如，首次在金刚石砧座池中对承受高压的固体样品进行相对论重离子辐照，离子穿过数毫米的金刚石到达样品。
• 基础与应用结合研究
  • 潜径迹与纳米通道 ：高动能重离子在材料中产生长而直的潜径迹，通过化学蚀刻可将其转化为直径达纳米级的窄通道。用单离子辐照聚合物箔可得到单孔膜，适用于研究电解离子电流流动和生物分子等物体的转运。
  • 纳米线制备 ：向这些通道中填充材料，可根据沉积参数制备多晶或单晶纳米线。研究的纳米线特性包括电阻、热不稳定性以及几何限制引起的量子效应。
  • 重离子微探针