离子束技术在纳米尺度形貌修饰方面的应用研究

摘要：纳米材料由于其优异的性能而成为当前的研究热点，这些都归因于其微小尺寸和特殊结构。在实际应用中，可以通过多种方法来调整材料的结构和成分以获得高性能的纳米材料。迄今为止，离子束技术已广泛应用于调节各种纳米材料的性能。与传统方法相比，离子束技术（包括离子注入，离子辐射和聚焦离子束等）都是纯物理的过程，不会引入任何杂质到目标材料中。此外，离子束技术还具备高度的可控性和可重复性。本文主要介绍氪离子在晶体硅的微纳米结构修饰方面的应用研究。

关键词：离子束;微纳结构;形貌修饰

材料是反映科学技术发展水平的重要标志之一。近年来，作为最杰出的新材料之一，纳米材料已经成为人们关注的焦点。纳米材料由于其特殊的结构而具备一些独特的性能。当材料达到纳米尺度时，其光、电、磁等属性将会产生量子尺寸效应，表面和边界效应以及库仑阻塞效应。[1]目前，纳米材料已经被广泛应用于计算机、催化、传感器、能源与环境保护等领域。[2]随着应用需求的增强，人们希望能够制造出性能更加出色的纳米材料。为了改善纳米材料的性能，掺杂、表面重构、半导体复合材料以及金属纳米粒子嵌入等技术均被应用于实验中。[3]如今，离子束技术，包括离子注入、辐照和聚焦离子光束（FIB）均被广泛应用于调控纳米材料的性能。此外，离子束技术亦被认为是非常有前景的掺杂和表面改性技术。与在生长和扩散过程中进行掺杂的传统技术相比，离子注入技术可以实现注入深度可控制性以及可重复性。此外，离子辐照也是一种有效调节材料形态和表面结构的方法。本文重点从晶体硅微纳结构在氪离子束照射下横向尺寸的变化，并采用横断面的观测方法，以期获得更为直观的观测横向结构随着离子束照射剂量的变化，为离子束在形貌控制方面提供详细进一步的数据支撑。

1.实验方法

本文首先采用聚焦离子束（FIB）在晶体硅表面刻蚀处宽度大约500纳米，高约300纳米的带状结构，并通过氢氟酸腐蚀以及高温退火等过程除去刻蚀过程引入的损伤层。

为研究横向结构参数变化对照射剂量的依赖性，本实验采用能量为240keV的氪离子（Kr+2）在室温23摄氏度的条件下进行照射，入射角度设定为5度，照射剂量分别为2、4、6、8、201015 ions/cm2。实验结果与分析为了更为详细的量化照射剂量对微纳结构横向尺寸的影响，此次测量分别观测了微纳结构的顶部、中部和底部。同时，为了表述方便，在插图1上分别以大写英文字母T、M、B对应的代表这三个观测位置。观测到的横向尺寸随着照射剂量增加的变化趋势如图1所示。实验观测结果表明：晶体硅微纳结构的横向尺寸变化基本上是随着氪离子的照射剂量增加而增加。尤其是在较低剂量的情况下，晶体硅微纳结构的顶部、中部和底部的观测数据均反映此规律;随着辐射剂量的进一步增加，微结构顶部（T）的横向增量随着剂量的增加而迅速减小至-20多纳米;晶体硅微纳结构的中部（M）横向尺寸增量保持随辐照剂量增加而缓慢增加的趋势，而微结构底部（B）的横向尺寸则依然保持随辐照剂量增加而迅速增加的趋势。

要理解该现象，我们要从离子束对材料的轰击效果来入手进行分析。众所周知，经过离子束辐射后的晶体材料，必然会产生很多缺陷。在剂量较低的时候以点缺陷为主，随着剂量的增加，在辐照区域产生严重的位错，直至完全转变为非晶体态。这些缺陷以及位错的产生都会给微纳结构内部带来极大应力，在外观方面的体现就是形貌变化，如本次实验观测到的横向尺寸变化-辐照后横向尺寸增加，尤其是低剂量（2～4 1015 ions/cm2）辐射的情况下，效果非常明显。至于高剂量（6～20 1015 ions/cm2）辐照后，底部（B）、中部（M）和顶部（T）的尺寸增量表现出不同趋势，笔者认为主要是由于离子束轰击材料的另一个效果，即溅射作用。在相同的离子和轰击能量作用下，溅射的效果取决于离子的入射角度。微结构底部（T）区域、中部区域（M）和顶部区域（T）由于自身形貌的问题，其对应的离子溅射角度并不相同。因此顶部的离子溅射效果明显最大，中部的情况次之，底部的情况最弱。总的效果就是顶部区域的膨胀效果在高剂量照射时，完全被压制，甚至溅射的效果大于缺陷引起的横向膨胀效果。中部区域的横向膨胀效果基本被压制，尺寸的横向变化随着剂量增加变化趋于稳定;底部区域溅射的效果并不是特别有效，多橫向膨胀的效果影响较弱。

3.结论

为了研究离子束在微纳结构横向尺寸方面的修饰效果，本研究通过观测离子束照射前、后微纳结构截面的三个不同纵向位置的横向尺寸变化，发现横向尺寸变化随辐射剂量的变化规律，并对高剂量辐照后不同观测位置的不同变化趋势做出合理的分析和解释。总之，氪离子束在形貌修饰方面有非常显著的作用，同时也要注意避免高剂量引入的溅射效果，它将有可能会抑制辐照引起微纳结构横向膨胀效果。

参考文献

[1] S. L. Brock， J. Am. Chem. Soc. 2004， 126， 14679.

[2] C. Tan， X. Cao， X.-J. Wu， Q. He， J. Yang， X. Zhang， J. Chen， W. Zhao， S. Han， G.-H. Nam， M. Sindoro， H. Zhang， Chem. Rev. 2017， 117， 6225.

[3] F. Lin， I. M. Markus， D. Nordlund， T.-C. Weng， M. D. Asta， H. L. Xin， M. M. Doeff， Nat. Commun. 2014， 5， 3529.

作者简介：郭小伟，1978年2月，男，汉，湖北省武汉市人，博士研究生，汉口学院，讲师， 研究方向：机械一体化.

（汉口学院  湖北  武汉  430200）