离子注入碳后铀表面吸附行为研究硕士学位论文(编辑修改稿)

离子注入碳后铀表面吸附行为研究硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

图 2． 1俄歇跃迁示意图 设某原予层数为 z的元素发生 WXY的俄歇跃迂，根据能量守恒，以 EF为零点， 则此跃迁的俄歇电子能量由方程 (2． 1)给出： ￡ W=E∥一 EⅣ一 Er (21) 其中 E，是 W能级的结合能 (即初空穴的能量 )， E。 和研也是相应能级的结合能 (即 最后两空穴的能量 )。 但是 E，和￡，不是中性原子中的结合能，因为考虑 x能级电子结合能时必须计及 Y 能级缺一电子，相当于原子带 +e电荷，但由于这正电荷部分是在较外面，只相当于原子 核电荷增加了 +e的一部分，这样近似底可认为： E。 =去陋。 (Z)+E。 (Z+1)】 其中 E， (z)表示原子序数为 Z的中性原予能级。 同样： E， =妻陋， (z)+E， (z+1)1。 俄歇电子的能量表达式 (2． 9)可简化为表达式 (2． 10)： E。 (Z)=E， (z)一 1／ 2[E， (Z+1)+E， (Z)】一 1／ 2[e， (Z+1)+￡， (z)1 (2． 2) 对于固体发射的俄歇电子，还需要克服电子能谱仪的功函数，因此可以用式 (23) 束表示出射俄歇电子的能量【 4 7] Ewe(Z)=占， (Z)一 1／ 2[E。 (z+1)+E， (z)】一 1／ 2[E， (Z+1)+F， (z)】一巾 s(2． 3) 式中： Os是电子能谱仪的功函数 (单位， eV)。 这样根据原子的能级数据就可以算出俄歇电子的能量。 根据测定铀金属态与氧化态 时的各轨道电子结合能，可以计算出铀元素在余属态与氧化态时的各特征俄歇电子跃迁 能量 (如表 2． 1所示 )， 算出的数值与实验测得的数值符合的相当好。 离子注入碳后铀表面吸附行为研究 表 2． 1采用俄歇电子能谱仪可得到的信号种类和信息 信号种类 所得信息 表面定性分析 俄歇电子的特征峰 表面半定量分柝 能带结构 (能态分析 ) 定性分析 电介质膜的厚度 能量损失峰 纵向数据 表面形貌 俄歇信号随深度的变化 纵向元素分布 二维分析 俄歇信号的面分布、吸收电流的面分布 结合纵向变化可作三维分析 纵向数据 俄歇信号的角分布 表面的晶体性质 电子轰击撞出的离子和中性粒子 特征软 x射线、光及 其它 另外，原子受激发后，俄歇电子的产额与原子序数 (z)有关 [34,351。 在进行俄歇电 子的能量检测时，通常是根据原子序数的大小检测不同系列的俄歇电子，得到较强的俄 歇电子信号，以使表面成分的检测顺利进行。 通常，对 z 14的元素，采用 KLL电子来 鉴定； Z高于 14的时候， LMM比较适合； Z 42的元素，以 MNN和 MNO俄歇电子为 佳。 俄歇电子谱在表面物理领域有着非常重要的作用。 它常用来分析固体表面的能带结 构、态密度以及表面组分。 近年来，利用俄歇电子谱法研究材料的表面念已取得可喜的 进展 ，对钨单晶等材料的清洁表面态的研究取得的成果就是实例。 俄歇电子谱常用来研 究随着表面组分的变化而引起表面物理的、化学的性质的变化。 比如用以研究表面的吸 附、脱附现象、表面的污染和表丽电化学性质以及光学性质的关系。 俄歇电子能谱仪 (AES)： PHI． 650扫描俄歇电子能谱仪图和原理结构图分别如图 2． 4和图 2． 5，它采用电子束作为激发源，具有电子束容易聚焦和柬径小的优点，有较好 的微区分析能力，可以在样品表面上进行点、线和面各种扫描分析；采用镜筒式能量分 析器，可以得到较理想的传输率和灵敏度。 溅射离子枪可以根 据需要选择适当的束流和 离子束能量来溅射清洗表面，或者蚀刻表面以便分析样品各组分的深度分布。 9 离子注入碳后铀表面吸附行为研究 该仪器的主要技术参数如下： ①真空室里的最高真空度可达至 0 6． 5x10一 Pa： ②入射电子能量： lOOeV～ lOken ③能量分辨率： 0． 25％， 0． 4％， 0． 6％， 0． 8％， 1． O％和 1． 2％： ④电子枪最小束斑 35nm，束压 lOkV，最大束流 3． 7‘一； ⑤双等离子枪最小束斑 5册，束压 7kV,最大束流 lO卅。 图 2． 4 PHI． 650扫描俄戢电子能谱仪图 数据收取 电子探潇器 圈 2． 5 PHI．． 650扫描俄歇电子能谱仪的原理结构图 10 离子注入碳后铀表砸吸附行为研究 2． 3 电化学极化原理及电化学极化仪 腐蚀试验采用的是电化学极化实验方法。 与其它实验方法相比，电化学实验方法具 有测量速度快、测试灵敏度高等特点。 此外它还是一种原位测量技术，能够测试出腐蚀 材料电极在外界条件影响下的瞬间及连续变化的情况，因此被广泛应用 于腐蚀机理的研 究、腐蚀速度的测定及测量筛选等方面。 电化学腐蚀过程必将在电极界面上伴随有得失电子的电化学反应 (腐蚀反应 )发生。 腐蚀速度可以用电流的大小来表示，表征腐蚀速度和原动力电极电位之间的电流一电极 电位瞌线称为极化曲线。 腐蚀过程中，不同控制步骤的电极过程有不同的电极电位一电 流密度函数关系，也就有不同的极化曲线形状。 本极化曲线的测量方法是恒电位法中的连续扫描方法。 即以电位为自变量，遵循一 定的电位变化程序，测定相应的极化电流随电位变化的函数关系 p坟 E)。 相应的极化曲 线就是恒电位极化曲线。 连续 扫描方法指利用线性扫描信号电压控制恒电位仪或恒电流 仪的给定自变量 (电位或电流 )，使其按照一定的程序以规定的速度连续线性变化，同 步的记录响应信号 (电流或电位 )随时间、或随给定量的变化从而绘出极化曲线。 控制 电位的连续扫描来钡 4定的极化曲线称为动电位极化曲线。 对于控制电位的连续扫描方 法，由于恒电位仪的作用，可自动调节极化电流而维持每一瞬间的研究电极的电位等于 设定的电位值，使之作同样的线性变化。 从这种意义上讲，这种方法具有定电位的性质， 故有时也称为恒电位扫描法。 电化学腐蚀性能参数则采用如下公式计算： E=lflaflc／ [2． 31co一 (fla+flc)]+丘。 (2— 4) 式中： Ico。 ：自腐蚀电流密度 (gA／ cm。 )： Eco，：自腐蚀电位 (V／ SCE)；肋、膨：阳 极、阴极 Tafel常数 电化学腐蚀测试在 PARSTAT 2263 DC+AC一体化电化学综合测试仪系统 (美国普林 斯顿公司 )及 ASTM标准腐蚀电解池组件上进行，并在 PowerCoff及 Powersine软件的控 制下利用计算机自动采集数据。 实验中，样品为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极， 高纯石墨棒为辅助电极，并采用取自动补偿来 消除溶液电阻对直流电化学行为的影响。 电化学腐蚀介质为含 50 ug／ g C1啪氯化钾溶液，温度为室温。 所有电化学腐蚀试验均在 样品在腐蚀电解质溶液中浸泡 1小时腐蚀电位稳定后开始进行。 线性极化的电位扫描范 围为一 lOmV～ +10mH相对腐蚀电位 )，扫描速度为 O． 167 mV／ s，采用软件中的线性拟合 方法自动求解腐蚀体系的极化电阻勋和腐蚀电流密度 ico。 ：动电位极化的电位扫描范围 为 50my～ +800mv(相对腐蚀电位 )，扫描速度为 2mV／ s采用零电阻电流计 (ZRA) 进行电偶腐蚀电流测量。 离 子注入碳后铀表面吸附行为研究 2． 5 TRIM计算的基本原理 载能离子进入固体后，与固体中的原子发生级联碰撞 (collision cascade)，受到原子 核和核外电子的散射作用，而逐渐损失能量，最后停留在固体内部一定深度，同时，固 体原子获得一部分能量，可能发生一定的位移，并留下空位类型的缺陷，离位的反冲靶 原子与其它靶原子碰撞，进一步产生新的空位，该过程称为离位损伤现象 (displacement damage)。 不同固体材料对一定能量入射离子能量的降低能力不同，而入射离子在单位 路径 上的能量降低值，称为固体材料的阻止本领 (stoppingpower)，是决定离子射程分布 的重要参数。 s：上丝 (2— 5) Ⅳ出 式中：Ⅳ一原子密度，原予数／ cm3； 昂一能量； 卜距离。 考虑到离子与靶材料的相互作用的微观机制后，对于大量入射离子在介质中的输运 过程，可以用 MornCarlo方法精确地模拟出来。 1980年， J． P． Biersack和 J． F． Ziegler等 入采用 Monte Carlo方法随机选定碰撞参数，模拟碰撞过程，计算一个离子从进入靶开 始到最终损失全部能量而停止或穿出靶时所产生 的辐照损伤。 1985年，相应的模拟软件 由 Zieg|el等人开发出来，称为 TRIM(TRansport of Ions in Matter)程序 p“。 用它可确定 离子的射程和损伤分布，背散射和透射离子的角度和能量分布。 TRIM指令的物理假设 是跟踪大量单个离子在靶中的经历，给出每个离子开始的位置、方向和能量，然后与靶 原子进行一系列碰撞。 假定每次碰撞之间的路径是直线，而每碰撞一次均有能量损失 (包 括电子能量损失和核能量损失 )，盔到离子能量损失达到一定值而停在靶内或在碰撞过 程中从靶的前后表面飞出去，这样可 真实的描述注入离予在靶中的全过程。 TRIM程序 不断完善和发展， 1995年已扩展到入射离子能量从 lOeV至 q 2GeF／ amu，对于各种离子、 单质、化合物和复合多层靶材料均适用。 程序的计算结果具有统计意义．只要所计算的 粒子数目足够多，就能得到所需要的精度。 相较于建立在材料输运理论基础之上的其他分析方法， TRIM程序能更严格的处理 粒子在材料中的弹性散射问题，并能考虑材料表面和界面的影响，同时也能很容易的计 算出粒子在材料中的能量淀积和分布规律。 因此，在材料的离子注入研究中 TRIM程序 得到了广泛的应用。 经过不断的发展，目前，该软件已成为离子注入工作者选择入射离 子能量、分析离子和缺陷分布的主要工具。 本论文选用 1998版本的 TRIM。 进行模拟。 +TRIM程序嘲站： ：／ Z ． watson． ibm． 2 离子注入碳后铀表面吸附行为研究 2． 6离子注入装置 离子注入在西南物理研究院工业型离子注入机上进行，多功能离子注入增强沉积设 备装置如图 2． 2与图 2． 3所示。 该装置是一种将离子注入和薄膜沉积相结合的先进材料 表面改性设备，配备了金属蒸发真空弧离子源 (MEWA)、高能气体离子源、低能离子束 溅射源以及轰击清洗离子源，工件架可实现三维运动 (乎动、转动及倾斜 )。 该装置可 进行单离子注入、复合离予注入、材料清洗和抛光以及离子束增强沉积涂层等多种实验 与工业生产。 图 2． 2多功能离子注入增强沉积设备示意圈 离子注入碳后铀表面吸附行为研究 图 2． 3多功能离子注入增强沉积设备圈 2． 7扫描电子显微镜 (SEM) SEM观察在 KYKY1010B型扫描电子显微镜上进行，电子束的加速电压为 25kV。 2． 8 x射线衍射仪 (Ⅺ瞪 D) 表面 XRD分析在 Philips公司生产的小角度 X射线衍射仪 — X’ Pert上进行。 典型分 析条件为： X射线源： Cu靶 Kct系， k。 1=1． 540562，九‰ 2=1． 54439』， koe／ k口 l=0． 5： 入射角： 0． 50～ 1． 50； 测角仪扫描方式：连续扫描， O． 060／步 (O． 020／步 )； 扫描范围： 40 o～ 850。 14 离子注入碳后铀表面吸 附行为研究 第三章离子注入碳后纯铁表面吸附行为的研究 3． 1试样 将工业纯铁 (纯度／ 99％ )加工为 OgmmX2mm和 015mmX3mm的片状样品，以分别 满足离子注入后 SEM、 XRD、 AES、吸附 (初始氧化 )实验以。