微团簇离子束同自支撑石墨烯超薄靶的相互作用机理研究

When micro-cluster ions passing through ultra-thin target consists of 3-5 layers self-supported graphene, the process of pure Coulomb explosion will occur in the vacuum which exclude the interference of the target moleculars after the electrons are stripped out of the cluster in the target. In this case the micro structure and binding energy of the cluster could be calculated more precisionly relative to the traditional methods. The physics process during each depth inside the target material could be detected with the help of different thin targets consists of 3-100 layers graphene, which provide the best condition for the research of vicinage effect and wake effect during the interaction of micro cluster ion beam and solid material. This project will study the interaction process by the 2.5MV Van de graaff accelerator and the high resolution electrostatic analyzer. The electron stripping, the Coulomb explosion and the charge exchange process will be studied to understand the physics process during the interaction. The results will supply sufficient and important information for the cluster ion beam physics, the nuclear target technology and the graphene characteristic.

当微团簇离子束穿越仅有3-5个原子层厚度的石墨烯超薄靶时，99%的微团簇发生电子剥离过程并转变为离子团，其在静电力作用下的库仑爆炸过程将完全在超薄靶后的真空中完成，排除了传统打靶实验中尾流效应、以及靶材物质多次散射等过程的影响，可实现更高精度的微团簇几何结构测定。利用不同厚度（3-100原子层）的石墨烯靶，可逐层给出离子束在靶物质中不同入射深度处的相互作用物理图像，研究临近效应、尾流效应等物理现象随靶厚的变化规律。本项目将利用2.5MV加速器、以及配套的高分辨率静电分析器、磁谱仪测量系统等终端装置研究微团簇离子束与不同厚度自支撑石墨烯超薄靶的相互作用过程，通过研究其电子剥离过程、库仑爆炸过程、电荷交换过程等物理图像，探索离子束同物质相互作用的物理机制。该项目研究对于进一步促进团簇离子束物理、核靶技术、石墨烯特性等课题的发展具有较大科学意义。

本项目研制了等效厚度为1-100原子层的自支撑石墨烯/石墨靶系统，并研制了微扰动靶室以及基于静电分析器的全自动能谱数据采集系统。通过研究MeV量级的微团簇离子（H2+）同单层石墨烯薄膜的相互作用，发现大多数H2+分子离子的电子可被单层石墨烯薄膜剥离，即分子离子同固体相互作用时，可被固体靶的第一层原子剥离，库仑爆炸过程在第一层之后即可发生。此外发现通过单层石墨烯薄膜，相对于库仑爆炸后的领头质子，更多数量的尾随质子被偏离进入探测器中，即在分子离子穿过单层石墨烯薄膜后，观测到了显著的尾流效应和邻近效应。通过使用单层石墨烯薄靶，理论上库仑爆炸过程完全发生在真空中，最有利于分子离子键长的测量，测量结果同理论结果较为接近，同时发现分子离子能量对于键长测量具有一定的影响。通过研究分子离子穿过不同靶厚的相互作用过程，发现尾流效应随靶厚的增加先增强后减弱，在靶厚约5 nm左右时尾流效应达到峰值。.研究了H2+分子离子在石墨烯超薄靶和石墨薄靶中的能量损失，发现H2+被剥离电子并发生库仑爆炸后产生的质子碎片对的能量损失显著大于两个相同能量质子的能量损失之和，即无论在石墨烯超薄靶还是石墨薄靶中均看到了显著的邻近效应。其在石墨薄靶中的能量损失可用Lindhard介电函数公式进行较好的解释。但其在石墨烯超薄靶中的能量损失则显著增强，即石墨烯超薄靶对分子离子的阻止本领显著高于石墨薄靶。通过研究Lindhard介电函数理论，发现可通过离子通过介质时产生的极化场较好的解释邻近效应，即邻近离子对的能量损失大于两个相同的独立离子，而领头离子的能量损失小于尾随离子。由于超薄石墨烯薄靶更接近二维材料，因此离子在该种介质中的“库仑屏蔽”效应应该更弱，通过“忽略库仑屏蔽”来改进Lindhard介电函数公式后，研究了分子离子在石墨烯材料中的阻止本领，结果发现其阻止本领更强，可部分解释实验结果。.该项目研究对于进一步促进团簇离子束物理、核靶技术、石墨烯特性等课题的发展具有较大作用。