1keV/atom以下的团簇离子注入固体极浅表面的过程研究

荷能1keV/atom以下的团簇离子透入固体深度在几纳米以内。在这一尺度中精确测量注入离子的质量分布十分困难，这限制了团簇离子注入固体表面动力学的理解。近来自支撑少原子层材料技术的发展给这一问题带来了机会。.本项目将以1keV/atom为团簇束流能量的上限，结合自支撑的少原子层薄膜和原子称定量三维电子显微来以原子级精度显示荷能团簇注入固体极浅表面的过程。我们将选择数个和数百原子两个尺寸区的团簇，选择1到20个原子层的薄膜以提供厚度的精确渐变，束流能量选择从准自由到500eV/atom以保证覆盖从团簇降落自由扩散、团簇钉扎在薄膜表面、团簇镶嵌注入薄膜和击穿薄膜多个作用能区，选择各种形状的团簇来考虑入射离子的形状因素，利用定标的透射电镜观察碰撞后的团簇和薄膜结构的变化，利用质谱从90度观察团簇的散射和碎裂，并配合模拟建立在几纳米内团簇离子与固体作用的原子层精度的物理描述。

在基金的资助下，本项目从束流设备和实验方法准备及发展、少原子层材料样品的制备、 团簇离子沉积实验及束流相互作用研究和材料性能测量及评价四个方面开展了系统的研究工作。建设了原子团簇束流在线质量选择装置，实现了质量分辨率为20的团簇质量选择；建设了原子团簇束流注入-输运测量联用装置，实现团簇束流注入和材料输运性能调控的同步进行，其中样品温度可达2.7K。发展了石墨烯、拓扑绝缘体、MoS2等少原子层的制备和表征方法，实现利用化学法大量制备少层石墨，样品平均为5个原子层厚。开展了电子束与少原子层石墨相互作用的实验，确定200keV电子与石墨相互作用的自由程为118nm。开展了团簇与石墨烯相互作用的实验研究，确定10eV/atom的团簇可以透入石墨层，在低能注入时石墨烯的量子相干效应会出现改善。测量多种石墨烯和少原子层材料的输运性质，观察到相干电子的普适电导涨落、AAS振荡和弱反局域化等行为。本项目总共发表SCI论文11篇，申请国家专利2项，从科学内容和发表论文等多方面完成了项目既定的目标。