低速高电荷态离子在固体表面诱发的可见光和红外光谱研究

低速高电荷态离子核外大部分电子轨道处于空置状态，对固体中的价带和导带电子来讲，形成非常低的能态，其势能差达几十到几百keV,且随电荷态的增加呈指数增加。利用低速高电荷态离子，在实验上改变入射离子电荷态、能量、角度，测量其与金属和半导体表面作用中的可见和红外光谱发射，对研究高电荷态离子的性质，探索高电态离子与固体表面相互作用中离子在中性化过程中形成高激发态原子的多重激发结构和表面靶原子受激辐射的规律、能量在固体中的转化、电子和晶格的相互作用，以及表面结构、发光特性，纳米蚀坑形成与入射离子种类和固体表面结构的关联有非常重要的意义。在此基础上，可通过对入射离子空间运动的精细控制，探索其在固体内表面形成规则纳米结构的方法,为其进一步应用提供物理依据。当前，本项目主要选择不同电荷态Arq+、Niq+、Krq+、Xeq+离子与一些金属、半导体和一些晶体材料表面相互作用的实验研究。

在本课题在国家自然科学基金（批准号：11174296）的资助下，在电子回旋共振离子源上利用改制（天津天津港东科技发展股份有限公司为我们用途改制）的LRS-III激光喇曼荧光光谱仪做了低速高电荷态离子在固体表面诱发的紫外、可见和红外光谱的探索性实验测量。在此基础上, 在电子回旋共振离子源、超导ECR离子源和ECR-320 KV高压综合实验平台上建立了较为灵活可置换的测量设备。紫外和可见光测量方面建立了SP-2558型光谱仪测量系统（包括R955光电陪增器,半导体制冷装置，电荷量定时计数器，Spectra HUB和数据采集系统等）。在红外光测量方面建立了SP－ 2357 型Dual Exit Port光谱仪测量系统（包括MCT探测器，442－1A探测器制冷器，PbS探测器，InGaAS探测器，X100前置放大器，SR540斩波器,双通道数字锁相放大器以及控制与数据采集系统等）。两测量系统实现了低本底(消除热辐射)在线靶流归一光谱测量。对实验靶室加入了液氮制冷靶装置，具有冷却靶功能的靶室真空度达5×10－9 mbar （靶室加烘烤可进入10-10 mbar）。基于建立的设备，选了Kr和Xe两种离子的几种电荷态在ECR离子源上测量了低速（小于玻尔速度）高电荷态离子与金属Cu和Al表面作用诱发的可见光谱。在实验测量中消除了离子束在固体表面沉积由温度而诱发热辐射,极大提高了弱谱线信号与本底噪声之比，实现了强流低速高电荷态离子与固体表面相互作用中可见光发射谱的测量。初步实验结果展现出离子与固体表面作用中势能沉积在固体表面产生激发和溅射靶表面原子（离子）辐射射光以及入射离子在中性化过程中形成的高激发态原子（离子）退激辐射（光谱从X射线延伸到红外）。