团簇离子束技术的应用进展

薄膜的制备方法对薄膜的性能和应用有很大影响,精密的电子器件、光学装置等越来越需要高品质的薄膜,这些都需要采用先进的制备方法来制备。结合近年来实验、计算机模拟及理论计算等各方面的研究结果,对应用团簇离子束法制备薄膜及研究团簇粒子方面的研究进展进行了评述,分析了影响薄膜性能的因素,并初步探讨了其成膜机理及团簇粒子的性质。

气体团簇离子束装置的设计及其在表面平坦化、自组装纳米结构中的应用

根据超声膨胀原理,n(10-10^4)个气体原子可以绝热冷却后凝聚在一起形成团簇,经过离化后,形成带一个电荷量的团簇离子,比如Arn^+.当团簇离子与固体材料相互作用时,由于平均每个原子携带的能量(~eV)较低,仅作用于材料浅表面区域,因此,气体团簇离子束是材料表面改性的优良选择.本文介绍了一台由武汉大学加速器实验室自主研制的气体团簇离子束装置,包括整体构造、工作原理及实验应用.中性团簇束由金属锥形喷嘴(F=65-135μm,q=14°)形成,平均尺寸为3000 atoms/cluster,经离化后,其离子束流达到了50μA.Ar团簇离子因其反应活性较低,本文运用Ar团簇离子(平均尺寸为1000 atoms/cluster)进行了平坦化和自组装纳米结构的研究.单晶硅片经Ar团簇离子束处理后,均方根粗糙度由初始的1.92 nm降低到0.5 nm,同时观察到了束流的清洁效应.利用Ar团簇离子束的倾斜(30°-60°)轰击,在宽大平坦的单晶ZnO基片上形成了纳米波纹,而在ZnO纳米棒表面则形成了有序的纳米台阶,同时,利用二维功率谱密度函数分析了纳米结构在基片上的表面形貌和特征分布,并计算了纳米波纹的尺寸和数量.

团簇离子束纳米加工技术研究进展

团簇离子束是带电的团簇,可以在电场、磁场作用下加速、传输或偏转,形成几个eV到几个MeV能量的离子束。文中阐述了团簇离子束的基本概念、产生方法和主要应用。大尺寸气体团簇和硼基团簇必须用高压气体超声绝热膨胀方法产生,然后通过电子碰撞电离形成团簇正离子。硼团簇用于超浅结制备,实现了结深为10-20nm的超浅注入;包含数千原子的大团簇则被用于半导体的表面平化,获得了粗糙度在0.7nm以下的平滑表面。用铯溅射离子源可以产生几个到几十个原子的负离子小团簇,包括B、C、F、Si及其分子团簇（SiB、GeB）。其中,硼基分子团簇离子束已用于对半导体进行瞬态增强扩散掺杂,与半导体表面的离子注入非晶化工艺相结合,实现了接近纳米量级的超浅注入。碳系团簇最近被用于超薄材料制备,获得了单层和双层石墨烯,并发现团簇离子束引起的非线性辐照损伤对石墨烯的形成具有重要影响。结果表明：团簇离子技术在超大集成电路和新型超薄纳米材料制备等领域具有广泛的应用前景。

用串列静电加速器获取MeV高能团簇离子束

利用复旦大学现有的串列静电加速器（ＮＥＣ９ＳＤＨ—２）获得了能量为１—４ＭｅＶ的硼、碳、硅及金等小型高能团簇离子束：Ｂｎ＋（ｎ＝２）、Ｃｎ＋（ｎ＜１０）、Ｓｉｎ＋（ｎ＝２，３，４）以及Ａｕｎ＋（ｎ＝２）；束流强度与团簇的种类和所含的原子数有关，为０．１—１００ｎＡ量级。注入加速器的低能团簇负离子由铯溅射离子源（ＳＮＩＣＩＩ）产生，高能团簇正离子的质量鉴别用磁分析器完成。高能碳团簇负离子Ｃ８－在与剥离气体分子Ｎ２碰撞过程中形成的团簇碎片质量谱显示出与碳团簇结构有关的奇偶效应。

气体团簇离子束两步能量修形法的平坦化效应

本文提出采用气体团簇离子束的两步能量修形法来改善4H-SiC(1000)晶片表面形貌.先用15 keV的高能Ar团簇离子进行整体修形,再用5 keV的低能团簇离子优化表面.结果表明,在相同的团簇离子剂量下,与单一15 keV的高能团簇处理相比,两步法修形后的表面具有更低的均方根粗糙度,两者分别为1.05 nm和0.78 nm.本文还以原子级平坦表面为研究对象,揭示了载能团簇引起的半球形离子损伤(弧坑)与团簇能量的关系,及两步能量修形法在弧坑修复中的优势.在原子力显微镜表征的基础上,引入了二维功率谱密度函数,以直观全面地给出材料的表面形貌特征及其随波长(频率)的分布.结果表明,经任何能量的团簇离子轰击的表面,在0.05—0.20μm波长范围内,团簇轰击都能有效地降低粗糙度,而在0.02—0.05μm范围内,则出现了粗化效应,这是由于形成了半球形离子损伤,但第二步更低能量的团簇离子处理可以削弱这种粗化效应.

用离子团簇束及反应离子团簇束技术沉积Zn及ZnO薄膜

用文题所述技术，在玻璃基板上制出了Ｚｎ及ＺｎＯ薄膜。用ＳＥＭ、ＸＲＤ、ＡＥＳ及ＳＥＥＬＦＳ方法，分别研究了其表面形貌、组成、薄膜结构及表面精细结构，同时探讨了薄膜生长过程。结果表明：Ｚｎ薄膜为（００２）面上择优生长的多晶膜，其生长过程为岛状生长：ＺｎＯ薄膜为无定形迷津网络结构，薄膜表面主要含有Ｚｎ、Ｏ两种组分，无其它杂质，Ｚｎ─Ｏ键长为０．２０３ｍｍ。

H_n^+(n=9,11,13)团簇离子的实验研究

报道了关于H+9,H+11和H+13团簇离子的实验研究结果.分析讨论了H+9,H+11和H+13团簇离子的形成和可能的分解途径.

离子剂量比在气体团簇多级能量平坦化模式中的作用

本研究提出采用两种不同的离子剂量比的气体团簇离子束多级能量模式来改善n-Si(100)单晶片的创伤表面.模式一采用低剂量的高能量团簇和高剂量的低能量团簇组合,模式二则采用高剂量的高能量团簇和低剂量的低能量团簇组合.结果证明,模式一的平坦化效果优于模式二,两者的均方根粗糙度分别为0.62 nm和1.02 nm.本文在研究多级能量模式平坦化前,先做了单一能量团簇轰击带有机械损伤的Si片实验,来验证创伤去除、离子损伤程度与团簇能量的关系.结果证明,当用15 kV高压加速团簇离子时,划痕去除效率最高,最终表面划痕很浅,但粗糙度下降不明显;当用8 kV,5 kV低压加速团簇离子时,样品表面变得细腻,遗留的离子损伤最轻.然后将多级能量模式一与单一能量团簇轰击靶材进行对比,结果表明,与单一15 keV的高能团簇处理相比,多级能量模式可以获得更为平坦的靶材表面;与单一5 keV的低能团簇处理相比,多级能量模式可以更好的去除划痕等创伤.多级能量模式一将高、低能团簇优点集中起来,从而达到最佳的平坦化效果.

Gas-Phase Deposited Plasmonic Nanoparticles Supported on 3D-Graphene/Nickel Foam for Highly SERS Detection

In this work, we proposed a novel three-dimensional (3D) plasmonic nanostructure based on porous graphene/nickel foam (GNF) and gas-phase deposited Ag nanoparticles (NPs). Ag NPs with high density were directly deposited on the surface of 3D GNF by performing a novel cluster beam deposition approach. In comparison with traditional Ag substrate (SiO2/Ag), such hot-spots enriched 3D nanostructure showed extremely high electromag-netic field enhancement under incident light irradiation which could be used as a sensitive chemical sensor based on surface enhanced Raman scattering (SERS). The experimental results demonstrated that the proposed nanostructure showed superior SERS performance in terms of Raman signal reproducibility and sensitivity for the probe molecules. 3D full-wave simulation showed that the enhanced SERS performance in this 3D hierarchical plasmonic nanostructure was mainly obtained from the hot-spots between Ag NPs and the near-field coupling between Ag NPs and GNF sca olds. This work can provide a novel assembled SERS substrate as a SERS-based chemical sensor in practical applications.