凹模内腔等离子体离子注入数值仿真-(I)脉冲宽度效应

模具表面改性日益受到人们重视.本文采用二维Particle-in-cell/Monte Carlo Collision模型对等离子体浸没离子注入处理凹模型腔内表面的鞘层动力学及均匀性进行了研究.考察了电压脉宽对鞘层中电势分布、离子的运动状态以及型腔内表面离子注入剂量、能量和角度的空间分布的影响.结果表明随着电压脉宽的增加,凹模型腔内表面的注入剂量不均匀性增加,同时注入到内表面的高能离子数目也增加.脉冲宽度变化对注入角度影响不大,离子以接近垂直的入射角度注入到型腔底部,而在侧壁上离子注入角度接近45°.当脉冲宽度较大时,发现少部分注入到侧壁上的离子以一定角度从下往上注入到样品表面,这是由于碰撞效应造成的.从能量和剂量的角度,存在一个合适的脉冲宽度,过大的脉宽会引起剂量不均匀性增加,同时离子注入能量也会下降.     

凹模内腔等离子体离子注入数值仿真—(Ⅰ)脉冲宽度效应

模具表面改性日益受到人们重视。本文采用二维Particle-in-cell/Monte Carlo Collision模型对等离子体浸没离子注入处理凹模型腔内表面的鞘层动力学及均匀性进行了研究。考察了电压脉宽对鞘层中电势分布、离子的运动状态以及型腔内表面离子注入剂量、能量和角度的空间分布的影响。结果表明随着电压脉宽的增加,凹模型腔内表面的注入剂量不均匀性增加,同时注入到内表面的高能离子数目也增加。脉冲宽度变化对注入角度影响不大,离子以接近垂直的入射角度注入到型腔底部,而在侧壁上离子注入角度接近45°。当脉冲宽度较大时,发现少部分注入到侧壁上的离子以一定角度从下往上注入到样品表面,这是由于碰撞效应造成的。从能量和剂量的角度,存在一个合适的脉冲宽度,过大的脉宽会引起剂量不均匀性增加,同时离子注入能量也会下降。     

PIII中工作气压和占空比优化关系的数值研究

等离子体浸没离子注入中的等离子体扩散过程和鞘层演化行为分别由低压非稳态扩散流体模型与鞘层碰撞流体模型来进行描述,数值模拟研究了工作气压与占空比对离子注入剂量和能量的影响。计算结果表明,工作气压不变时,随占空比变化,一定时间内的离子注入剂量有极大值,并且极大值对应的占空比会随着工作气压降低而减小。工作气压较高时,占空比越小离子碰撞能量越高;而工作气压较低时,占空比越大离子碰撞能量越高。相同工作气压下占空比对离子注入剂量的影响要比离子碰撞能量显著。     

电感耦合等离子体离子注入内表面的数值仿真研究

本文采用Particle-in-cell模型对采用电感等离子体离子注入处理管内表面的动力学过程进行数值仿真研究,考察了电感线宽对管内电势分布、鞘层重叠、离子平均注入能量、剂量和角度等的影响。计算结果表明随着电感线宽的增加,电感线圈对等离子体鞘层扩展的钳制作用增强,管内的鞘层重叠系数下降,电感内的离子消耗速度下降。在鞘层内电场力的作用下,离子会发生聚集,离子聚集点的位置随着电感线宽的增加向外移动。研究结果还表明通过增加电感线宽可以进一步提高管内表面的离子平均注入能量。离子注入以接近垂直的角度注入到管内表面,虽然电感线圈会产生阴影效应,但管内表面的阴影可以通过管与电感线圈的相对运动来消除。     

工作气压对多脉冲鞘层动力学行为的影响

分别采用低压非稳态扩散流体模型和碰撞流体模型描述了等离子体浸没离子注入平面靶表面过程中等离子体回复扩散和鞘层演化行为,通过数值求解两流体模型研究了不同工作气压下多脉冲鞘层的时空演化动力学特征。计算结果表明,在连续脉冲作用下,开始几个脉冲内的注入离子流和离子碰撞能量较高,几百微秒内迅速降低并达到一个稳定值。多个脉冲作用后的离子注入参数稳定值比初始一个脉冲内的结果更准确,更具理论指导意义。工作气压对初始等离子体密度分布、注入离子流和离子碰撞能量影响显著。较低的工作气压无论对提高离子注入剂量还是离子碰撞能量都是十分有利的。     

长方体三维工件的高度变化对等离子体离子注入动力学影响研究

采用三维PIC模型仿真研究了等离子体浸没离子注入过程中工件高度变化对鞘层扩展动力学和离子注入效果的影响。模拟结果表明,随着工件高度减小,中心水平截面内鞘层扩展速度明显下降,鞘层最终尺寸也明显减小。随着工件高度减小,工件上表面的注入剂量峰幅值明显增大,表面注入剂量均匀性则显著下降。随着工件高度减小,工件上表面的离子垂直入射面积和高能离子注入面积略有减小。这是由于工件高度减小造成鞘层曲率半径减小,弯曲的鞘层增大了离子聚焦现象将更多离子聚焦注入到工件边角附近位置。随着工件高度减小工件侧壁上的注入剂量峰幅值明显增大,而且工件棱线上的剂量数值也显著增大,且均匀性更好。     

方管内表面等离子体离子注入动力学GPU-PIC仿真

内表面改性近年日益受到人们重视。本文采用基于Graphic Processing Unit(GPU)的Particle-in-cell(PIC)模型对方形管内表面的离子注入动力学过程进行数值仿真研究。结果表明在注入过程中,辅助地电极周围形成离子空穴,随时间延长,离子空穴发生交联并不断扩展,直至所有离子注入到方管内壁。离子空穴的形成和扩展使得在管内部形成离子密度波,密度波的传播速度随时间增加。由于等离子体鞘层的不均匀重叠使得管内的初始鞘层厚度分布不均,其中位于拐角附近的鞘层较厚,从而又导致了方管内壁周向上的注入剂量和能量分布存在不均匀性,内壁平面附近位置的注入剂量和注入能量均相对较大,而拐角附近的离子注入剂量和能量最小。本文采用GPU加速PIC的算法取得了高达90的加速比,极大缩短了等离子体粒子模拟的计算时间。     

球心处有附加电极的半圆形容器等离子体源离子注入过程中鞘层的时空演化

本文利用两维流体模型研究了半圆形容器在放置共心零电位附加电极情况下,等离子体源离子注入的离子鞘层时空演化动力学过程.考察了鞘层内随时间变化的电势分布和离子密度分布,计算了容器内外表面的离子束流密度分布和注入剂量分布随时间的变化规律.研究结果显示,容器内表面附近鞘层扩展到附加电极后,其中的离子逐渐都注入到容器内表面、电场分布逐渐趋于稳定.同时,在容器内表面上,离子注入剂量不再增加.     

等离子体浸没离子注入的二维元胞粒子法计算机模拟与剂量分布研究

采用二维元胞粒子模型（PIC），模拟了一个完整脉冲时段内，等离子体浸没离子注入平板靶的过程。重点研究了等离子体鞘层的时空演化规律，以及入射离子流密度、入射离子角度与能量的分布，由此得到了注入离子剂量在靶表面的分布。模型结果表明：等离子体鞘层的扩展先快后慢，且形状由椭圆柱形向圆柱形演化，对靶的保形性逐渐变差；注入离子剂量在靶表面的分布不均匀，在边角附近出现峰值；同时，在得到的入射离子信息基础上，对注入离子在改性层中的浓度深度分布研究表明，在靶的不同位置注入的离子在改性层中的浓度深度分布有显著差别，在靶边角处，注入离子的保留剂量很低，投影射程浅，浓度深度分布展宽较窄。     

一种新型复合加速离子注入动力学研究

提出了一种基于靶台(工件)二次加速的束线离子注入的新方法,基本原理是将传统束线离子注入和等离子体离子注入有效复合。采用二维Particle-in-cell(PIC)模型对这种注入方法进行了数值仿真研究。考察了靶台加负偏压情况下靶台表面空间电势、离子密度变化以及离子的运动状态的时空演化。统计分析了不同时刻离子注入剂量、注入能量和注入角度的分布规律。结果表明:靶台施加偏压对束流离子起到了很好的二次加速效果,束线离子复合加速离子注入这种新方法理论上是切实可行的。同时发现在靶台附近空间电场的作用下,离子束会发生小角度偏转,由柱状形逐渐变成"喇叭口"形,靶台表面有效注入范围扩大。靶台表面注入剂量分布呈中心区域高边缘区域低的趋势。这种新方法有助于减缓电源硬件加工的难度,增加了工艺的灵活性。     

注入能量对304不锈钢离子注N表面改性层组织与性能的影响

注入能量对离子注入影响明显,但目前探究注入能量对304不锈钢离子注N层影响报道较少。研究在N剂量相同的情况下,离子注N时不同注入能量(30~75 keV)对304不锈钢表面改性层的组织及性能的影响。采用离子注入软件SRIM2013模拟离子注入对304不锈钢的注N深度,并采用扫描电镜(SEM)、显微硬度仪、X射线衍射仪(XRD)、万能摩擦磨损试验机对表面改性组织、硬度、相结构、摩擦系数进行测试,并对微观机理进行了分析与讨论。研究表明:在相同剂量下(9.0×10~(17)cm~(-2)),在注入能量范围为30~60 keV时,表面生成了γN相。但随着注入能量达到75 keV,304不锈钢表面出现多孔形貌,且硬度、摩擦系数等力学性能下降。经注入能量60 keV注N后,所得注N试样的显微硬度约为基材的1.9倍,摩擦系数有所降低,从基材的0.62下降为注N后的0.32;注入能量60 keV是离子注入的最佳注入能量。     

C离子注入对SiO2薄膜光致发光特性的影响

先用湿氧化法在单晶硅表面生长了非晶态SiO2薄膜,再用不同能量的C离子对薄膜进行注入,然后用荧光光谱分析了注入参数(注入能量、剂量)与发光特性改变的关联。研究发现,C离子注入能显著影响薄膜的发光特性,并且薄膜发光特性的改变强烈依赖于C离子的注入能量和注入剂量。对C离子注入SiO2薄膜引起发光特性改变的可能机理进行了简单讨论。     

N~ 、Xe~ 离子注入银薄膜的实验分析

实验研究了离子注入对多晶银薄膜晶体结构及表面成份的影响。在室温环境下,将能量为24keV的N~ 离子和350keV的Xe~ 离子以不同的注入剂量注入到多晶银薄膜中。对离子注入前后的银薄膜样品进行了透射电子显微镜(TEM)观察和X射线光电子能谱(XPS)及俄歇电子能谱(AES)分析。经分析发现,离子注入后在银薄膜中出现了再结晶和晶粒长大现象,而且晶粒尺寸随注入离子的剂量增加而增加。当注入的N~ 离子剂量≥1.3×10~(17)Ions/cm~2及注入的Xe~ 离子剂量达到3×10~(16)Ions/cm~2时,多晶银膜转变成单晶银薄膜。本文对实验结果进行了讨论。     

等离子体源离子注入同轴圆柱电极间的鞘层模型

由等离子体源离子注入过程中圆筒零件与内电极构成的同轴圆柱电极间的鞘层扩展模型，推导出鞘层扩展前沿与扩展时间函数关系的微分方程，并利用二次样条插值法求出其数值解。这一结果可用来计算圆筒零件等离子体源内表面离子注入中每一脉冲时间内鞘层的扩展宽度，并依此计算出相应的注入剂量。     

多能碳离子注入纯铁研究

利用离子注入表面优化技术,在不同温度下,采用多能量叠加方式将碳离子注入纯铁表面;利用XRD和AES等技术分析了表面改性层的相结构以及元素的分布;利用电化学极化法测试了注入样品的抗腐蚀性能.结果表明,573 K时注入的碳离子比373 K时注入的碳离子深;纯铁表面改性层有Fe2C、Fe3C新相生成;离子注入碳提高了纯铁表面抗电化学腐蚀的能力.     

用离子注入法对磁头进行表面处理

一、前言离子注入表面处理新工艺,是近几年来迅速兴起的离子工程学中的一-门新技术,它与离子镀、离子抛光和离子氮化有着密切的关系。其共同的点是都具有离子源和离子加速装置。表1是以离子工程技术为对象,按离子能量大小分类的表面处理工艺。从表1可见:离子注入是利用最大能量的离子来轰击材料表面。通常,注入离子的动能为数keV以上。离子注入表面强化处理方法,较其它表面处理方法具有很多优点。 1.离子注入是把高速运动的离子,强制地挤入金属材料表层里。它不受热力学的限制,能在金属表面形成表面合金及非晶层,还可以得到常规冶金方法所不易得到的表面合金。 2.离子注入表面处理工艺不可能产生与基体成份完全不同的离子注入层,没有相介面及结合面。离子注入层不易脱落。     

离子注入PET薄膜导电性能及机理的研究

主要研究了Ar~+、As~+离子注入PET薄膜后对其导电性能的影响及其导电机理。在PET膜上分别注入了不同种类、不同剂量的离子,测定了其注入后的表面电阻率,研究了注入离子后薄膜表面电阻率与温度的关系,根据注入前后的FTIR-ATR谱图及有关理论对其导电机理进行了初步探讨。结果表明,随离子注入的种类不同、剂量的变化、温度的升降,PET膜的表面电阻率呈规律性变化。根据薄膜结构分析初步确认离子注入PET薄膜主要是离子导电。     

等离子体源离子注入同轴圆柱电极间的鞘层模型

由等离子体源离子注入过程中圆筒零件与内电极构成的同轴圆柱电极间的鞘层扩展模型，推导出鞘层扩展前沿与扩展时间函数关系的微分方程，并利用二次样条插值法求出其数值解。这一结果可用来计算圆筒零件等离子体源内表面离了注入中每一脉冲时间内鞘层的扩展宽度，并依此计算出盯应的注入剂量。     

等离子体浸没离子注入球形靶的鞘层尺度

对于等离子体浸没离子注入（PIII）技术,球形靶鞘层尺度预测对真空室设计,批量处理研究先进是十分有用的,但由于球形靶鞘层Child-Langmuir定律数学表达的非线笥使得工程应用较为困难,本文对球形靶的鞘层尺度进行了数值求解,讨论了注入参数对鞘层尺度的影响,计算结果表明,鞘层厚度（包括离子阵鞘层和稳态鞘层）随球体半径或注入电压增加而增加,随等离子体密度增加而减小,但对于不同的参数区间,鞘层特性对参数的变化表现出不同的敏感性,当离子体密度较高,注入电压较低时,稳态鞘层厚度对于靶体半径的变化有不敏感,相反鞘层厚度对靶体大小变化较为敏感,虽然平面靶与球形靶的离子辄鞘层尺度比值与等离子体密度及球体半径有关,但平面靶稳态鞘层尺度总是大于球形靶的,这对于实际的PIII应用具有重要的指导意义。     

Mo+C双元离子注入65Nb钢表面的研究

利用 MEVVA源引出 Mo离子和 C离子 ,对 65Nb钢进行了不同剂量的离子注入 ,通过硬度测量、XRD、AES等方法研究了注入前后 65Nb钢改性层的性能、成分及相组成的变化。试验发现 Mo+ C双元离子注入 ,可在 65Nb钢注入层形成弥散的 Fe2 Mo C相 ,这是使该种基体钢经离子注入后表面硬度显著提高的重要原因。