快重离子在SiO2基材料中引起的强电子激发效应研究

具有特殊结构的SiO2基材料与Si平面工艺具有好的兼容性，在光电技术中的发光二极管、固体显示屏等器件的研制方面有巨大的潜在应用价值。本论文以快重离子与物质相互作用的特点为依据，选择具有重要应用价值的SiO2基材料，研究快重离子辐照在SiO2基材料中引起的强电子激发效应，特别是辐照相变等现象，探索制备具有特殊功能的新型材料的方法，主要开展了如下研究： 1）在单晶Si衬底上通过高温湿法氧化一层SiO2薄膜，制备出SiO2/Si样品；在室温条件下，用能量为100 keV的碳离子注入样品，注入剂量分别为2.0×1017、5.0×1017和1.2×1018 ions/cm2，使样品SiO2薄膜中一定区域内C、Si和O原子达到适当的原子浓度配比；再用能量为308 MeV的Xe和853 MeV的Pb离子在室温下对注碳后的SiO2/Si样品进行辐照，Xe离子辐照是在兰州重离子加速器国家实验室的扇聚焦回旋加速器（HIRFL-SFC）的重离子辐照终端上完成，辐照剂量分别为1.0×1012、5.0×1012、1.0×1013、1.0×1014 Xe-ions/cm2，Pb离子辐照实验是在法国重离子激光交叉学科研究中心(CIRIL,Caen)的中能离子辐照终端（IRASME）完成的，辐照剂量分别为5.0×1011、1.0×1012、2.0×1012、5.0×1012 Pb-ions/cm2；最后用荧光光谱、红外吸收光谱、拉曼光谱和透射电子显微镜分析等技术对样品进行了表征。研究了样品发光与注碳剂量、辐照剂量和离子在薄膜中电子能损值的依赖关系，辐照引起SiO2薄膜中微结构改变与实验参数的依赖关系。发现快重离子辐照能显著改变注碳SiO2/Si样品的发光特性，如在5.0×1012 Pb-ions/cm2辐照的注碳2.0×1017 ions/cm2的样品中，探测到了很强的位于456、484和563nm的发光；在电镜照片中观察到了8H-SiC纳米晶及其他微结构的形成。基于实验结果，对薄膜发光特性与微结构改变之间的关系进行了初步探讨。 2）利用磁控溅射在单晶SiO2表面沉积Ni薄膜，制备了Ni/SiO2样品；在室温下用能量为308MeV的Xe和853MeV的Pb离子辐照Ni/SiO2样品，离子穿透Ni薄膜和Ni/SiO2界面，Xe、Pb离子辐照分别在HIRFL-SFC和法国CIRIL的IRASME辐照终端上完成，辐照剂量为1.0×1012、5.0×1012 Xe/cm2和5.0×1011Pb/cm2；用卢瑟福背散射技术和X射线衍射谱对样品进行了分析，研究了界面原子混合及相变效应与辐照剂量、电子能损值的依赖关系。发现快重离子辐照能引起Ni/SiO2样品界面处原子的混合，并导致界面形成NiSi2或Ni3Si新相，且原子扩散量随辐照剂量和电子能损值的增大而增大。 3）以热峰模型原理为基础，对实验观测到的快重离子辐照效应特别是电子能损效应的产生机理进行了探讨