利用辐照缺陷对绝缘衬底中金属纳米颗粒调控的研究

含有金属纳米颗粒的复合材料兼具了传统复合材料和纳米材料两者的优越性，在微电子、计算机技术、能源（太阳能电池）、化工以及航空航天等领域都有着广泛的应用。但是复合材料中颗粒尺寸的离散性、分布的均匀性以及颗粒形状的可控性至今悬而未决。针对这一问题，利用缺陷可以有效捕获材料中杂质原子这一特点，本项目拟采用不同能量的载能离子束在材料中有选择性的引入适当浓度、分布均匀的某些类型的缺陷，利用对缺陷的调控而达到对金属纳米颗粒尺寸离散性、分布均匀性间接调控的目的。项目预期将揭示对金属纳米颗粒尺寸以及分布调控起到主要作用的缺陷类型，获得尺寸离散性小、分布均匀的金属纳米颗粒埋层，并建立材料中颗粒尺寸、分布和缺陷浓度、温度等参数之间的联系。本项目的研究成果对于含有金属纳米颗粒复合材料性能的提升和其在应用领域的进一步拓展具有重要的意义。

含有金属纳米颗粒的复合材料，兼具了传统复合材料和纳米材料的优越性，在诸多领域都有着广泛的应用。然而，采用离子注入方法引入的金属纳米颗粒由于尺寸离散性比较大，限制了这种复合材料的进一步应用。因此，制备出含有分布均匀、尺寸离散性小的金属纳米颗粒的复合材料对这类材料性能及其进一步的应用都有着重要的意义。本项目利用缺陷对杂质原子具有较强捕获能力这一特点，在绝缘基体中有意引入缺陷，通过对缺陷的调控来间接调控金属纳米颗粒的尺寸、分布及尺寸离散性。实验中采用Ar离子预辐照的方法在样品中引入缺陷，随后将Ag离子注入到样品中以研究缺陷对Ag纳米颗粒形核的影响。实验结果表明，缺陷可以有效地捕获引入的Ag原子而使得材料中Ag纳米颗粒形核的浓度阈值降低，且有效促进Ag纳米颗粒形核的缺陷主要是空位型缺陷。通过对不同缺陷浓度下Ag纳米颗粒形核的研究，发现低浓度缺陷的引入可以有效促进Ag纳米颗粒的形核，但是高浓度缺陷的引入反而阻碍了Ag纳米颗粒的形核。材料中被缺陷捕获的Ag原子首先形成Ag核，只有当Ag核的尺寸超过一个阈值后，Ag核才可以继续生长成Ag纳米颗粒。在高浓度缺陷下，平均每缺陷捕获的Ag原子数在减小，而被缺陷捕获的Ag原子又很难再进行迁移，所以导致Ag核的数量增加，但是Ag纳米颗粒数量在减小。但是高缺陷浓度下Ag纳米颗粒尺寸的离散性要优于低缺陷浓度下Ag颗粒尺寸的离散性。因此，合适的缺陷浓度值主要取决于引入的金属原子的浓度值和对颗粒尺寸离散性的要求。.另外，在上述研究的基础上，开展了高能离子辐照对Ag纳米颗粒尺寸、分布及尺寸离散性影响的预研。结果表明，在Ag纳米颗粒尺寸没有超过形变阈值前，高能离子辐照可以起到对小尺寸Ag纳米颗粒的过滤作用：让直径小于2.0 nm的颗粒消失而只留下直径大于2.0 nm的Ag颗粒。这样可以显著改善Ag颗粒尺寸的离散性，且在高剂量辐照下也可以调控Ag纳米颗粒分布的区域。最后，借助兰州重离子加速器的束流条件开展了镁铝尖晶石中高能离子辐照引起的损伤研究。