7、离子束材料工程概述

离子束材料工程概述

1. 离子束与材料相互作用简介

离子束在材料工程中的应用，主要涉及材料性能的改性或表征，这源于离子与目标材料之间的基本相互作用。其背后的物理原理可追溯到上世纪的原子和核物理学。离子与目标材料的电子和原子核都会发生相互作用，与电子或光子不同，高能离子能在目标材料中沉积极高的局部能量密度。

例如，一个能量损失约为 5 keV/A 的高能重离子，能在 10⁻¹⁶ 秒内，在半径为 5 nm 的圆柱体内沉积约 30 kJ/cm³ 的能量。尽管总能量不算高，但由于集中在极小区域，产生了极大的能量密度，这种高能量密度通常只在爆炸装置附近才会出现。

从离子种类来看，从质子到铀，能量范围从 eV 到 GeV 都有。低能量重离子的穿透深度可达几纳米，而中能量（几 MeV）轻离子的穿透深度可达几十微米。相互作用区域的宽度从几纳米到几百纳米不等，且离子在材料中大约经过皮秒级时间后会停止。

材料表征技术要求在过程中材料性质不发生改变，而材料性能工程则需要显著改变材料的电学、光学、结构等性能。高能量重离子与材料的相互作用提供了一种“软工程”方法，在高能情况下，离子主要通过与构成材料的原子的电子相互作用来损失能量，而晶格中的原子核不受干扰。电子获得的能量可通过电子 - 声子相互作用引起晶格的改变。不过，无论是软工程方法还是常规方法，材料性能的改变都需要原子核的移动，即通过弹性碰撞（核能量损失）来实现原子的位移。对于质量大于 4 的重离子，能量为几 keV/amu 时，能量损失主要通过弹性散射，可用于材料性能的改性；而能量高于 1 - 2 MeV/amu 时，能量损失主要通过非弹性散射过程。当电子中沉积的能量超过一定阈值（取决于材料性质）时，材料就会发生改性。