11、离子束分析与材料工程中的快速重离子束混合

离子束分析与材料工程中的快速重离子束混合

1. 离子束分析技术概述

离子束分析技术在材料科学等多个领域有着广泛的应用。它可以用于确定样品中杂质原子的位置、超晶格中的应变等。其中，核反应分析（NRA）和带电粒子活化分析（CPAA）是基于核反应的技术，分别利用瞬发和延迟事件。而超灵敏技术加速器质谱（AMS）则将样品本身用作加速器离子源，并结合先进的探测器来区分同位素。

这些技术的应用领域十分广泛，例如PIXE、RBS和ERDA等技术的应用实例在相关资料中有详细介绍。快速重离子还为材料改性的在线监测提供了可能，可使用大面积位置灵敏气体望远镜探测器来实现。

2. 离子束混合的基本概念

2.1 离子束混合的定义

离子束混合（IBM）是指在两层材料的界面处，当离子束穿过时，一层的原子与另一层的原子相互混合的现象。当在基底上沉积一层薄膜并对其进行离子辐照时，薄膜中的原子会与基底中的原子发生混合，这种由高能离子束强制引发的界面原子混合就称为离子束混合。

2.2 低能离子束混合的机制

在低能量（keV到几百keV）下，辐照会由于弹性碰撞级联导致界面混合，这主要是弹道效应的结果。离子的动能在碰撞时传递给靶原子，其能量足以打破分子键并引发原子晶格内的重新排列。在这个弹道过程中，入射离子会将靶材料的原子和电子位移到几个晶格位置之外，从而导致原子重新排列和界面混合。

低能离子束混合主要涉及两种基本过程：反冲混合和级联混合。反冲混合中，原子通过单次碰撞事件重新定位，主要在大角度的软碰撞中出现，发生反冲注入的原子数量与离子剂量呈线性关系，但它不是离子束混合的主导过程。大多数重新定位的原子参与了碰撞级