金属离子注入绝缘体纳米颗粒的合成、尺寸控制及机理研究

高剂量金属离子注入绝缘体并结合不同气氛的热处理已成为制备纳米-绝缘体复合体的重要手段，该复合体在光电子等领域具有重要的应用价值。然而如何有效地控制纳米颗粒的尺寸及分布进而优化其性能是其应用的关键。本项目拟采用高剂量的金属离子，如Cu、Zn和Ag等注入到典型的氧化物绝缘体(如SiO2、Al2O3等)中，结合不同气氛的热处理制备出相应的纳米-绝缘体复合体系，并对纳米颗粒的结构、尺寸分布和复合体系的物性进行定量地表征。在此基础上进一步使用重离子或飞秒激光对所获得的纳米-绝缘体复合体实施进一步的辐照，通过调节辐照参数，详细地研究纳米颗粒尺寸分布及物性演变的规律，得到有效调控纳米颗粒尺寸分布和复合体系物性的优化实验参数。此外，通过研究注入金属原子的分布及其演变并借助于相关的理论，探讨两类辐照下纳米颗粒尺寸控制和物性优化的微观机理。该研究可为离子注入法合成纳米-绝缘体复合体的应用提供实验和理论依据。

镶嵌在氧化物绝缘体中的金属纳米颗粒具有优异的光学、电学等特性，在光电子器件、光波导等诸多领域具有广泛的应用前景。高剂量金属离子注入氧化物绝缘体并结合后续的热处理已成为制备各类纳米颗粒的极其重要的手段，然而如何有效地控制注入合成纳米颗粒的尺寸及分布进而优化其性能是该领域研究面临的最大挑战。本项目采用高剂量的金属离子注入结合后续的热处理，在多种典型的氧化物绝缘体中合成了相应的金属纳米颗粒，定量地表征了纳米颗粒的结构、尺寸分布及其光学特性；在此基础上重点研究了离子预辐照或重离子后续辐照对金属纳米颗粒结构、尺寸分布及光学特性等的调制，探索了纳米颗粒尺寸控制及光特性优化的微观机理。通过项目的实施，获得了以下创新性成果：(1)利用高能Xe离子注入SiO2产生的缺陷，实现了尺寸较为均匀的准二维Ag纳米颗粒的合成，该分布的Ag纳米颗粒具有较强的表面等离子体共振(SPR)吸收，该研究成果为调控纳米颗粒的分布及光特性提供了新思路；(2)发现了高剂量重离子照(如N、Ar、Xe等) 辐结合后续的热处理可以有效地改善纳米颗粒的结构、尺寸和分布及其光吸收特性，并通过高剂量Xe离子辐照注入合成的Ag纳米颗粒，观测到了单晶纳米颗粒向多晶纳米颗粒的转变及其独特的SPR吸收行为，理论分析揭示，SPR吸收的变化来源于子晶间相互作用和电子平均自由程的减小；(3)首次发现了离子预注入不仅可以明显地抑制后续低能金属离子注入引起的自溅射，增加注入原子的保存量，而且预注注产生的缺陷能给后续注入金属原子提供更多的成核点，有助于形成高体积分数且尺寸较为均匀的纳米颗粒；(4)通过Cu和Zn离子的顺次注入，在SiO2基底中首次合成了CuZn合金纳米颗粒，得到了该合金纳米颗粒的SPR吸收峰，并观测到了热处理过程中Zn热扩散驱动的CuZn合金纳米颗粒的再合金化和去合金化两个独特的过程，实现了Cu纳米颗粒SPR吸收峰在一个较大的波长范围内的调制；(5)发现低剂量低电负性金属离子(如Zn、Ti等)预注入SiO2可以通过与注入产生的氧形成相应的氧化物，该氧化物的形成可以极大地改变基底注入层的介电常数，导致后续注入合成纳米颗粒的SPR光吸收特性和三阶非线性光学性质极大增强。.项目研究完成了预期的研究目标，且通过项目的实施，发表标注的SCI论文15篇，参加国际国内学术会议3个，提交会议论文6篇。培养毕业博士生2名，硕士生7名。