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.

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.

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.

CO_2团束的离化、加速及质量分离

设计并制造了ＣＯ２离化装置——由电子轰击对团束进行离化，由电极电位进行加速，由阻止势进行质量分离。通过实验确定了最佳参数，其中包括：离化电子电流和电压、加速电压、阻止电势、供气压力等。