基片温度对强流脉冲离子束烧蚀等离子体沉积类金刚石薄膜结构和性能的影响

利用强流脉冲离子束 (High intensitypulsedionbeam HIPIB)烧蚀等离子体技术在Si(1 0 0 )基体上沉积类金刚石 (Dia mond likecarbon DLC)薄膜 ,基片温度的变化范围从 2 5℃ (室温 )到 40 0℃。利用Raman谱、X射线光电子谱 (XPS)、X射线衍射(XRD)和原子力显微镜 (AFM)研究基片温度对DLC薄膜的化学结合状态、表面粗糙度、薄膜显微硬度和薄膜内应力的影响。根据XPS和Raman谱分析得出 ,基片温度低于 30 0℃时 ,sp3C杂化键的含量大约在 40 %左右 ;从 30 0℃开始发生sp3C向sp2 C的石墨化转变。随着沉积薄膜时基片温度的提高 ,DLC薄膜中sp3C的含量降低 ,由 2 5℃时 42 .5 %降到 40 0℃时 8.1 % ,XRD和AFM分析得出 ,随着基片温度的增加 ,DLC薄膜的表面粗糙度增大 ,薄膜的纳米显微硬度降低 ,摩擦系数提高 ,内应力降低。基片温度为 1 0 0℃时沉积的DLC薄膜的综合性能最好 ,纳米显微硬度 2 2GPa ,表面粗糙度为 0 75nm ,摩擦系数为 0 .1 1 0。

HIPIB烧蚀等离子体沉积DLC薄膜结构及性能

利用强流脉冲离子束(HIPIB)烧蚀等离子体在Si(100)基体上快速沉积类金刚石(DLC)薄膜.电压为250keV,束流密度为250A/cm2,脉宽为70ns的离子束(主要由碳离子和氢离子组成)聚焦到石墨靶材上,使石墨充分电离产生稠密的烧蚀等离子体,在石墨靶的法线方向的Si基体上沉积出非晶的DLC薄膜,基片温度选择25℃和100℃.XPS分析显示DLC薄膜中sp3C的含量达到40%.扫描电镜和原子力显微镜分析得知薄膜表面比较光滑,100℃时沉积的DLC薄膜的表面更光滑,表面粗糙度为0.927nm,其摩擦因数为0.10;TEM分析表明DLC薄膜的相结构是非晶的;X射线衍射分析得出薄膜的宏观残余应力为压应力,其大小约为4GPa.

脉冲激光烧蚀Ge产生等离子体特性的数值模拟

针对激光烧蚀半导体材料Ge初期的特点,建立了1维的热传导和流体动力学模型。对波长为248 nm、脉宽为17 ns、峰值功率密度为4×108W/cm2的KrF脉冲激光在133.32 Pa氦气环境下烧蚀Ge产生等离子体的特性进行了数值模拟。结果表明:单个激光脉冲对靶的烧蚀深度达到55 nm,蒸气膨胀前端由于压缩背景气体产生压缩冲击波,波前的速度最大,温度很高。从不同时刻的电离率分布图中得出,在靶面附近区域,Ge的1阶电离始终占优势;在中心区域,脉冲作用时间内,Ge的2阶电离率比1阶电离率大,脉冲结束后,Ge的2阶电离率下降,1阶电离率逐渐变大。

衬底温度对强流脉冲离子束烧蚀沉积类金刚石薄膜化学结构的影响

采用强流脉冲离子束 (High-intensity pulsed ion beam,HIPIB)烧蚀技术在 Si(1 0 0 )基体上沉积类金刚石 (Diamond-like carbon,DLC)薄膜 ,衬底温度的变化范围为 2 98～ 6 73K.利用 Raman光谱和 X射线光电子谱 (XPS)对 DLC薄膜的化学结合状态与衬底温度之间关系进行研究 .薄膜 XPS的 C1 s谱的解谱分析得出薄膜中含有 sp3 C(结合能为 2 85 .5 e V)和 sp2 C(结合能为 2 84 .7e V)成分 ,根据解谱结果评价薄膜中 sp3 C含量 .根据 XPS分析可知 ,衬底温度低于 4 73K时 ,sp3 C的含量大约为 4 0 %左右 ;随着沉积薄膜时衬底温度的提高 ,sp3 C的含量降低 ,由 2 98K时的 4 2 .5 %降到 6 73K时的 8.1 % ,从 5 73K开始发生 sp3 C向 sp2 C转变 .Raman光谱表明 ,随着衬底温度的提高 ,Raman谱中 G峰的峰位靠近石墨峰位 ,G峰的半峰宽降低 ,D峰与G峰的强度比 ID/IG 增大 ,说明薄膜中的 sp3 C的含量随衬底温度增加而减少 .

等离子体辅助脉冲激光沉积和原位掺杂方法制备稀土掺杂GaN薄膜

利用基于双激光束双靶共烧蚀的等离子体辅助脉冲激光沉积的化合物薄膜沉积和原位掺杂方法，制备了稀土Er掺杂和Pr掺杂的GaN薄膜。基质膜层中的Ga和N化合成键形成GaN，其组织结构为六角GaN相，膜层具有良好的可见光至近红外的透光性能。改变两激光束的重复频率比可以获得0．2％～5％不等的Er或Pr的掺杂浓度，CaN基质的化学成键、组织结构和透光性能没有因稀土的掺入而发生明显的变化。

强流脉冲离子束模型及辐照靶材能量沉积的模拟研究

强流脉冲离子束(IPIB)及其在靶材中沉积的能量是研究束流与靶材作用的基础.根据三束材料改性国家重点实验室从俄罗斯引进TEMPⅡ型加速器实测的磁绝缘二极管(MID)的加速电压波形及法拉第杯检测到的MID焦点处离子流密度波形,对其进行拟合得到高斯脉冲分布模型,以此为基础采用Monte Carlo方法模拟了离子在铝靶内沉积的能量,得到了一个脉冲内靶材内沉积的能量的时空演化规律.计算了单能离子束以20°～40°角入射铝靶情形.不同能量的单能H+束和C+束以一定角度入射时的最大射程比垂直入射时都要小,表面处单位长度沉积的能量随入射角的增加而增多.IPIB入射铝靶时变化规律同单能离子束.同时对H+和C+二维入射靶材情况也进行了模拟研究.

烧蚀对强脉冲离子束在高分子材料中能量沉积的影响

高能量密度纳秒量级强脉冲离子束辐照材料表面的烧蚀产物和束流的相互作用,可能对束流在靶中的能量沉积产生影响,进而影响烧蚀情况下的束流分析和相关应用的优化.本文采用红外成像方法对横截面能量密度1.5-1.8 J/cm^2的强脉冲离子束在304不锈钢和高分子材料上的能量沉积进行了测量分析.结果表明在高分子材料上,在超过一定能量密度后,束流引发材料表面烧蚀产物的屏蔽效应使得大部分束流能量不能沉积在靶上.采用有限元方法对束流引发的温度场分布进行了计算,验证了高分子材料的低热导率以及低分解温度使其在脉冲辐照早期即开始热解,烧蚀产物对后续束流能量的进一步沉积产生屏蔽.此类效应在金属上存在的可能性和对束流诊断等应用的影响,亦进行了讨论.

强流脉冲离子束表面再制造技术原理与应用

采用TEMP–6型强流脉冲离子束(HIPIB)装置开展了HIPIB表面再制造技术的研发。HIPIB装置主体由高压脉冲电源系统和高功率离子二极管系统组成,通过高压短脉冲在二极管中放电产生阳极等离子体并引出ns级强流离子束。HIPIB辐照材料表面,发生显著的熔融、蒸发和剧烈烧蚀,物质喷射的反冲作用在辐照表面形成由表及里的应力波,导致材料表层强烈的热-力学效应。利用HIPIB与材料表面的相互作用,应用于涡轮叶片表面的清洗维修,可有效去除涡轮叶片基体因高温氧化形成的氧化物,伴随表层的重熔将叶片基体表面微观缺陷焊合,获得了光滑、平整的涡轮叶片修复表面。实现了HIPIB辐照在涡轮叶片表面再制造方面的应用。

在玻璃上用强流脉冲离子束镀膜的工艺

用强流脉冲离子束 (HIPIB)方法通过高强度脉冲离子束照射到锡掺杂氧化铟 (ITO)陶瓷靶材上产生的二次等离子体快速地沉积到室温玻璃基片上制得ITO薄膜 .经计算得知 :二次等离子体的密度约 10 2 0 atoms/cm3,温度以实验的电子能量 (ET0 )表示约为 1.4eV ,在玻璃表面瞬时沉积速率达 2cm/s,比其它传统镀膜方法大几个数量级 ;并且瞬间在玻璃表面产生约 2 2 0 0℃的高温 .经一次脉冲发射可制得 65nm厚的膜 .EDX数据表明薄膜与靶材的化学组成相近 .通过原子力显微镜 (AFM )图像分析膜的表面形貌 ,在 1μm× 1μm范围内 ,薄膜表面的均方根粗糙度为 1.3 85nm 。

强流脉冲离子束制备功能膜研究进展

强流脉冲离子束在离子能量密度达到5J／cm^2的条件下，辐照靶材表面形成二次烧蚀等离子体，可以在基材表面沉积与靶材化学成分一致性良好的膜层。评述了近年强流脉冲离子束沉积功能膜的研究进展，为进一步进行膜层沉积机理和工艺研究提供理论依据。

中性粒子对强流脉冲离子二极管工作过程的影响

研究了强流脉冲离子二极管中阳极等离子体中的冷中性粒子与束离子的电荷交换条件以及电荷交换作用对空间电荷限制电流密度的影响 ,电荷交换作用产生的热中性粒子快速充满二极管间隙 ,并被电离 。

强流脉冲离子束烧蚀等离子体向背景气体中喷发的数值研究

强流脉冲离子束辐照靶材产生烧蚀等离子体向背景气体中传播与向真空中传播不同,包括喷发等离子体与背景气体的相互作用.本文建立了该过程的二维气体动力学模型,计算了等离子体向压强范围从10-6大气压到大气压背景气体中传播时的情况.结果表明,背景气体压强不同时,等离子体传播的现象也不相同.向真空中可以自由膨胀,向大气压中膨胀受限;当背景气压在千分之一大气压左右时,等离子体在背景气体中形成“雪犁”状,羽状等离子体出现快速和慢速传播分离现象.

高能束表面改性技术在航空领域的应用

高能束表面改性适用于各种金属和合金,能够显著提升材料表面硬度、耐磨、耐蚀等性能指标,是航空部件实现性能提升的有效手段之一。本文总结了6种高能束表面改性技术的基本原理、设备构成和改性应用,其中激光相变硬化通过马氏体相变强化金属材料表面;激光熔覆通过选择不同粉末实现表面修复和表面性能提升,重点在于控制裂纹缺陷;激光冲击强化可有效解决航空发动机部件高周疲劳断裂问题;强流脉冲电子束和强流脉冲离子束一方面需要提高设备的性能和运行稳定性,另一方面要针对航空部件应用开展深入研究;而离子束辅助沉积则可以通过制备固体润滑涂层实现对微动磨损的有效防护。最后,提出对高能束表面改性机理深入研究、发展专业化智能化装备和实现多种束源复合与集成的发展方向。

大面积强流直流离子源

为了适应离子注入和离子束动态混合沉积技术工业应用的要求,中国科学院等离子体物理所致力于具有大辐照面积的强流直流离子源的研制。目前引出的离子流对氢为350mA,氮为200mA,氩为150mA,能量达到50keV。源等离子体如同ORNL一样由热阴极反射型弧放电形成,但中间电极几何尺寸与ORNL有较大的不同。引出系统由加-减速栅组成,19个孔径为6mm的孔在三电极上六边形排列。引出面直径为6cm,在距引出栅2m处直径为25cm的靶上测得束的均匀性约90%。

强流脉冲离子束辐照靶材烧蚀效应二维数值研究

对强流脉冲离子束(IPIB)辐照Ti靶的烧蚀效应进行了二维数值研究.得到了表面烧蚀物质随脉冲时间的变化关系.得出TEMPⅡ型加速器产生的脉冲束流辐照靶材时引起的汽、液化均是从表面开始、并且汽化过程中表面物质被层层烧蚀的结论.同时,得到中心区的平均烧蚀速度为10m/s数量级,它远小于产生的烧蚀等离子体的喷发速度.得到脉冲期间靶材内部不同位置烧蚀斑痕形状的时间演化过程,以及束流中含有的离子种类分额不同时IPIB辐照过程产生的不同效果.

利用强流脉冲离子束技术在室温下沉积类金刚石薄膜研究

利用强流脉冲离子束技术在Si基体上快速大面积沉积类金刚石 (DLC)薄膜 .电压为 2 5 0kV ,束流密度为2 5 0A·cm- 2 ,脉宽为 80— 10 0ns,能流密度为 5J·cm- 2 的离子束 (主要由碳离子和氢离子组成 )聚焦到石墨靶材上 ,使石墨靶材充分蒸发和电离 ,在石墨靶的法线方向的Si基体上沉积非晶的碳薄膜 .Raman谱分析显示 ,所沉积薄膜为类金刚石薄膜 .随着靶材与基体之间距离的减小 ,薄膜中sp3碳成分含量增加 ,同时硬度值也有所增大 ,并且薄膜的摩擦系数和表面粗糙度增加 .x射线光电子能谱 (XPS)分析显示薄膜中的sp3碳含量为 4 0 %左右 .由扫描电子显微镜和原子力显微镜观察得知 ,薄膜表面比较光滑 ,表面的粗糙度不大 .薄膜显微硬度在 2 0— 30GPa之间 ,薄膜的摩擦系数为 0 16— 0

2.45GHz强流脉冲质子源

介绍了一台用于强流质子直线加速器注入的2.45GHz电子回旋共振强流脉冲质子源。采用2.45GHz的微波馈入实现以氢气为载气的氢等离子体,在三电极引出系统下获得能量50keV,50mA的强流脉冲离子束。其中三电极分别为等离子体电极、抑制电极及地电极。用CST仿真软件和PBGUNS分别模拟计算了匹配波导能量的传输效率与引出束流传输轨迹,得出信号输入端口反射系数S11约为0.119,整个匹配波导内正向传输系数S21为0.993,引出束流在Z=26cm处,束流包络约为2cm。研究了离子源轴向磁场变化对引出束流强度的影响,结果得出,当螺线管电流从0A增加至50A时,引出混合束流强度从20mA上升至50mA。

强流脉冲离子束辐照双层靶能量沉积的数值模拟

利用拟合实验测得的TEMPⅡ型加速器磁绝缘二极管电压波形及其焦点附近束流密度曲线,建立了Gauss分布模型.采用Monte Carlo方法研究了强流脉冲离子束与铝材镀有不同厚度金膜的双层靶(金膜与铝材合称为双层靶)之间的相互作用,模拟了能量沉积的演化过程和随不同金膜厚度的变化情况.对脉冲离子束强化薄膜粘结性进行了探讨.

强流脉冲离子束与靶作用域值的研究

结合MonteCarlo方法和热力学方法 ,建立了脉冲离子束能量模型以及靶材相变温度模型 .利用该模型可以确定产生喷发等离子体的域值 ,得到强流脉冲离子束与靶材作用过程中靶材温度的变化规律以及形成喷发等离子体的初始温度 .

激光烧蚀Al^+与乙醇团簇的反应研究

利用激光烧蚀 -分子束法对Al等离子体与乙醇团簇的反应进行了研究 .飞行时间质谱测得的主要反应产物有Al+ (C2 H5OH) n(n =3～ 10 )与H+ (C2 H5OH) n (n =1～ 14 )团簇正离子和 (C2 H5OH) n(H2 O)OH-(n =0～ 8)团簇负离子 .实验发现 ,烧蚀产生的Al等离子体与脉冲分子束的不同位置反应 ,对团簇离子的类别、大小及强度分布均产生很大影响 .Al等离子体与脉冲分子束的前段反应 ,主要产生金属 -复合物团簇离子Al+ (C2 H5OH) n,且信号较强 ;Al等离子体与脉冲分子束的中段及后段反应 ,主要产生质子化团簇离子H+ (C2 H5OH) n 和团簇负离子 (C2 H5OH) n(H2 O)OH-,同时还出现强度较小的其他水合团簇离子 ,如H+ (H2 O) m(C2 H5OH) n (m =1～ 2 )