低能Arq+离子与固体表面碰撞的动力学过程研究

低能离子与固体表面碰撞研究不仅对表面物理、原子物理等多门学科有重要科学意义，而且在核燃料、太电子伏加速器、远紫外光刻源系统、二级质谱分析系统、蛋白质脱附以及肿瘤诊断等领域有重要运用价值。本项目针对其中亟待解决的重要问题，即如何描述离子经历的细致原子动力学过程和表面的结构以及性质变化，选取低能氩离子和石墨、硅、铝、铱的表面碰撞过程，着重于原子与固体表面的相互作用研究；基于从头算原子结构程序并发展相关算法细致研究入射离子经历的原子动力学过程，确定离子状态；用实时传播子含时密度泛函方法研究Arq+和固体表面碰撞过程中fs时间尺度的电子激发和转移过程;用基于第一性原理的计算结果构造的相互作用势针对细致的离子状态进行大时间尺度的分子动力学模拟，预测表面在Arq+作用下的结构形貌和性质变化,揭示离子轰击表面的微观物理过程和相互作用机制，为低能离子处理材料表面、量子调控等相关应用提供理论支撑。

低能离子与固体表面碰撞研究不仅有重要科学意义而且在一些高技术领域有重要运用价值。过去人们对其进行了大量的实验研究，但理论研究明显不足。本项目对高电荷态离子与固体表面相互作用的基本过程进行了理论研究，基于从头算原子结构程序并发展相关算法细致研究入射离子经历的原子动力学过程，用实时传播子含时密度泛函方法研究碰撞过程中fs时间尺度的电子激发和转移过程，用基于从头算法计算结果构造的相互作用势针对离子和固体表面进行大时间尺度的分子动力学模拟，预测表面的结构变化,揭示了离子轰击表面的微观物理过程；详细研究了Ar17+离子与金属Al面相互作用过程中的内壳层填充和X射线发射。研究得出Ar17+离子与Al(111)面相互作用过程中电子占据数随时间的演化变化关系以及入射离子的末了电荷态和K壳层X射线的中心能量、半高全宽、谱线强度与其入射动能的关系， 并得出俄歇和辐射跃迁过程被逐步填充。同时，采用分子动力学模拟方法对高电荷态Arq+等离子与石墨表面的相互作用过程及硅表面纳米结构尺寸进行了研究，从原子水平上分析了化学键的变化特征。考虑了入射离子的势能效应以及动能效应和入射过程中的镜像能量增益；单个的高电荷态离子入射石墨和硅表面时诱导生成丘状纳米结构与实验中观察到的纳米丘形貌一致；得出高电荷态离子与硅表面相互作用时，随电荷区域半径的增大，形成的坑状的纳米结构尺寸就越大的结论。本项目拓展研究了He+离子与单层石墨烯之间的相互作用, 发现离子诱导的电子发射依赖于碰撞点，表明可用He+离子获得悬浮石墨烯的高精确图像。. 项目研究取得了较好的科研成果和国际影响：发表SCI论文35篇，其中影响因子大于3的论文10篇，包括Physical Review Letters (1篇)；美国科学院院刊PNAS（1篇）；Physical Review B（2篇）; JPCC等（6篇）。其中申请人以第一作者在Physical Review Letters发表的论文在国家自然科学基金委主页的“基金要闻”中得到报道，在美国科学院院刊PNAS发表的研究论文得到国内外同行的认同， 该研究成果到美国，日本等大学和研究所得到宣传和报道。同时，申请人在基金研究期间作为共同主席主持国际会议2个,国内会议2个；在国际会议上做邀请报告6次。本项目的研究成果必然会对今后低能离子处理材料表面及量子调控等的研究提供理论支撑。