低速高电荷态重离子在固体表面引起纳米结构变形的研究

低速高电荷态重离子比普通的离子携带较高的势能，与材料表面作用时，势能的瞬间释放会增强表面原子溅射，对材料表面进行侵蚀，引起表面的纳米结构变形。在材料表面微处理（蚀刻、净化、粗化）、小型纳米器件和表面分析上有很大的应用潜力。本项目拟利用兰州重离子加速器国家实验室的320kV高压原子物理实验平台提供的低速高电荷态重离子（Xeq+、Krq+、Arq+等），借助AFM、XPS、FTIR、PL、Raman等多种分析手段，研究低速高电荷态重离子在多种固体表面引起纳米结构变形的机理：主要包括：1）表面微结构的变化与离子电荷态（势能）的相关性；2）表面微结构的变化与材料自身性质（结构、熔点、热传导系数、晶格热容量等）的相关性；3）探索具体实验条件下，低速高电荷态重离子引起材料表面纳米变形过程满足的物理模型。

本文借助AFM、XPS、Raman、PL分析测试手段，研究了低速高电荷态的重离子（Biq+、Xeq+、Krq+、Arq+、Pbq+）在GaN、AlGaN、SiC、Al2O3的表面引起的纳米结构变形、组分变化及光学性能的变化规律，而且，根据实验结果，建立了理论模型，对低速高电荷态重离子在不同条件下，引起材料表面纳米结构变形的机理进行了初步的探讨；同时，借助AFM、Raman、HRXRD、UV-Vis分析测试手段，研究了高电荷态高能离子（Biq+、Uq+、Niq+、Krq+、Arq+）在GaN和SiC表面引起的纳米结构变形、带隙能变化、晶格畸变、应力变化及发光性能的变化规律。结果表明：1）材料表面形貌的变化不仅依赖于离子的剂量和电荷态，而且与材料的自身性质也密切相关。对于GaN材料，当离子的剂量和电荷态较低时，表面形成纳米球棍；当剂量较低，电荷态较高时，形成纳米蚀坑；当剂量较高，电荷态较低，形成肿胀的纳米台阶；当剂量和电荷态都较高，形成蚀刻的纳米台阶。对于AlGaN和Al2O3，只有在足够高的剂量和电荷态的情况下，才能形成明显的肿胀的台阶。完全相同的实验条件下，在GaN表面形成肿胀的台阶，而在SiC表面形成蚀刻的纳米台阶。而且对于Al2O3， 高剂量的低速高电荷态离子，在（0001）面引起的肿胀高度是（10-10）面的3-4倍。2）表面组分和光学性能的变化对不同材料表面形成的缺陷类型比离子剂量和电荷态有更大的依赖性。对于GaN材料，由于N容易流失，在达到熔点（1700℃）之前，950℃就从表面解析；而SiC材料，容易形成反位缺陷；因此，随着损伤的加剧，GaN表面N缺失，Ga富集；而SiC表面，形成Si-Si和C-C键，发生非晶化。对GaN和SiC，表面出现肿胀的纳米结构时，粗糙度增加，光学带隙变宽；表面出现蚀刻的纳米结构时，粗糙度降低，带隙变窄。 随着损伤的加剧，所有发光峰的强度都减弱，最后完全消失。3）根据势能和动能的不同损伤效应，建立了包括剂量、电荷态、入射角、损伤截面和材料自身的模型，初步解释了在不同实验条件下，形成纳米结构的机理。4）高电荷态的高能离子辐照GaN和SiC后，表面纳米结构的变形主要依赖于离子的势能（电荷态），而光学性能、晶格畸变、晶格应力的变化主要依赖于电子能损。