4、离子束材料工程：原理、应用与发展前景

离子束材料工程：原理、应用与发展前景

1. 离子束对材料的改性作用

离子与材料的相互作用是理解离子束对材料改性的关键。在低能量下，入射离子主要通过与固体原子核的弹性碰撞损失能量，即核能量损失。这种能量损失会影响注入物种的扩散特性、缺陷的形成、湮灭、团聚以及诱导稳定或亚稳相变的能力。而在较高能量下，离子会发生非弹性碰撞，导致电子的激发或电离，即电子能量损失。从初始电子激发到辐照材料的结构改性和宏观变化，涉及一系列在不同时间尺度上发生的物理过程，包括电子激发、电子子系统的热化、电子 - 离子能量转移、激发材料的弛豫以及伴随的结构转变。

当达到极高的能量沉积密度时，会观察到非常显著的效果，如非线性和阈值效应。辐射会诱导物质处于非平衡状态，从而创造出具有新颖特性的新材料。以下是一些利用高能重离子改性材料性能的例子：
- 改善涂层性能 ：用 75 MeV 离子以 4.5 × 10¹³ ions cm⁻² 的剂量辐照不锈钢上的 Cr 涂层，可显著提高其显微硬度。
- 研究多层膜特性 ：用 80 MeV 的 Si 离子研究 Fe/Tb 和 Fe/Cr 多层膜的磁性和磁输运特性，发现界面粗糙度增加但无混合现象。
- 改善半导体性能 ：在 Si 中引入深能级缺陷可显著降低少数载流子寿命，改善二极管的开关特性。
- 研究薄膜性能 ：用 100 MeV 的 I⁷⁺ 离子通过弹性反冲探测分析（ERDA）研究多晶金刚石薄膜的微观结构和性能，发现含氢量较低的薄膜对辐射损伤具有更好的抗性。

离子束的一个独特特点是它能够沉