离子束辐照纳米空洞点阵的自组织过程研究

Energetic particle irradiation can lead to complex and diverse ordered nanostructures on or beneath semiconductor material surfaces through induced self-organization processes. In particular, patterned nanoholes array has received great interests recently because of the potential application as masks for nanostructures template grown, nanodevices, nanosensors and high-density data storage, etc. However, an understanding of the fundamental mechanisms involved in the formation of the nanoscale morphologies under ion bombardment has still been lacking so far. This project will perform a multi-scale theoretical modeling to seek better understanding of the self-organization process for ion-beam assisted nanostructure patterning near geranium and silicon surfaces. We will focus on the evolution of defects production, recombination and diffusion in semiconductors irradiated with energetic ions using molecular dynamics. Also we will develop our understanding of the fundamental mechanisms for self-organization of nanoholes using kinetic Monte-Carlo and phase field simulations. A more detailed relationship between nanostructure formation and predicted experimental conditions will be revealed through theoretical modeling and computer simulation, and patterned nanoholes array can be generated on the surface of semiconductors under certain irradiation conditions. Eventually, the methods and results, which will be obtained by this proposal, will make efforts to advance the fundamental understanding of irradiation-induced nanopatterning, connect the multi-scale computer modeling to establish the correct experimental conditions for creating such ordered arrays of nanostructures, and shed light on novel technologies for precise control of the nanostructure formation. It is very promising to systematically investigate the patterned arrangement mechanisms of nanodots, nano-scale ripples, cavities/fibers, and void/bubble lattices induced by irradiation in other materials through the multi-scale theoretical modeling.

能量粒子辐照可诱导半导体材料的自组织过程，从而在表面或内部形成有序纳米结构。空洞超晶格结构由于具有纳米结构生长模板、纳米器件、纳米传感器、高密度存储等潜在应用，近来受到了广泛关注。但到目前为止，离子束辐照诱导有序纳米结构形成的机理尚不清楚。本项目应用多尺度理论模型研究离子束辐照有序纳米空洞的自组织过程，包括原子尺度上分析辐照参数引起的缺陷产生、重组和扩散，介观尺度上揭示离子束辐照诱导纳米空洞点阵的自组织过程，分析有序结构的形成机理。基于理论研究结果，确定实验参数，开展离子束辐照实验。本项目的研究成果对认识离子束辐照纳米图案形成的动力学机理，探索可控生产高密度新型纳米材料的实验条件，实现纳米结构的精确生长提供了重要的理论参考价值。有望借鉴本项目所建立的离子束辐照纳米空洞点阵的多尺度理论模型，研究其它类似结构体系中纳米点、波纹、空腔/纤维和空洞/气泡的晶格图案排列机制。

能量粒子辐照可诱导半导体材料的自组织过程，从而在表面或内部形成有序纳米结构。空洞超晶格结构由于具有纳米结构生长模板、纳米器件、纳米传感器、高密度存储等潜在应用，近来受到了广泛关注。但到目前为止，离子束辐照诱导有序纳米结构形成的机理尚不清楚。项目开展了离子束辐照半导体Ge（100）表面的辐照损伤实验，并进行了样品的SEM和AFM实验的形貌表征。运用分子动力学方法模拟研究了单晶Si中的级联碰撞过程，通过对初级碰撞原子（PKA）的不同运动方向和能量诱发产生的缺陷随时间的演化进行模拟。此外，利用分子动力学对原子位移引发碳化硅纳米晶（nc-SiC）的位移级联过程进行了系统研究。Mn+离子束辐照Ge(100)表面结果表明，在辐照剂量小于2.5×1016ions/cm2时，表面形成尺寸单一，分布均匀的纳米点，且未发生聚集；在辐照剂量为2.5×1016ions/cm2时，辐照后的表面区域变为蜂窝状多孔结构；在辐照剂量大于2.5×1016ions/cm2时，表面形成纳米颗粒大团簇的聚集。此外，Ge+离子束辐照Ge(100)表面的结果表明，不同离子类型在类似的辐照剂量下对于表面形貌的区别并不明显，由此可以得出离子束辐照所形成的表面有序纳米结构是可以推广至多种入射离子种类，并且实验方法具有很好的可移植性，操作性及普适性。单晶Si中的级联碰撞过程的研究结果表明，不同初始运动方向PKA级联碰撞所产生的空位数随时间的演化情况相同，且空位数量无明显差别。随着PKA能量的增加，体系中空位数量是线性增长的。nc-SiC的位移级联过程表明，间隙原子会倾向于吸附和聚集在晶界处，晶界可以促进缺陷的产生，并且聚集形成非晶化区域，这在nc-SiC的非晶化过程中起着十分重要的作用。晶界在低剂量下提供了缺陷湮灭的sink，而在更高剂量下晶界成为初始非晶化的驱动力。本项目的研究成果对认识离子束辐照纳米图案形成的动力学机理，探索可控生产高密度新型纳米材料的实验条件，实现纳米结构的精确生长提供了重要的参考价值。