等离子体浸没离子注入(P)技术在现代材料表面改性中的应用及发展

本文综述了近几十年才研制发展的一种新型的用于材料表面改性的离子注入新技术——等离子体浸没离子注入 (P ) ,待处理的材料直接浸泡在等离子体中进行处理。该技术保留了常规束线离子注入(CB )技术的主要特点 ,还具有需多独特的特点。将系统介绍该技术在现代材料表面改性中的各方面应用及发展。     

等离子体浸没式离子注入沉积技术及应用

等离子体浸没式离子注入沉积是近年来迅速发展的一种材料表面改性新技术,其基本原理是,作为靶的工件外表面全部浸没在低气压、高密度的均匀等离子体中,工件上施加频率为数百赫兹、数千至数万伏高压负脉冲偏压.它克服了传统方法所具有的薄膜沉积或离子注入存在方向性的固有缺陷,因此在复杂形状的三维工件表面改性工艺与技术上表现出无与伦比的优越性.该技术可以有多种工作模式,在离子注入前、注入期间或注入后进行原位清洗、刻蚀或薄膜沉积.作为应用实例,本文给出在复杂形状构件上合成均匀类金刚石或纳米金刚石薄膜的实验结果,最后指出等离子体浸没式离子注入沉积技术的发展趋势和工业化应用尚需解决的问题.     

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。     

等离子体浸没离子注入(PⅢ)技术在现代材料表面改性中的应用及发展

本文综述了近几十年才研制发展的一种新型的用于材料表面改性的离子注入新技术－等离子体浸没离子注入,待处理的材料直接浸泡在等离子体中进行处理。     

金属等离子体浸没离子注入改善9Cr18轴承钢表面耐磨性的研究

采用新改进的阴极弧金属等离子体源,对９Ｃｒ１８轴承钢进行了金属等离子体浸没离子注入（ＰⅢ）处理,首先将Ｔｉ、Ｍｏ和Ｗ离子分别注入到９Ｃｒ１８钢的表面,然后再对其进行Ｎ等离子体浸没离子注入,从而在９Ｃｒ１８钢表面形成了一层超硬耐磨的改性层。     

9Cr18轴承钢表面不同等离子体浸没离子注入强化处理技术研究

采用不同的等离子体浸没离子注入(PⅢ)工艺在9Cr18轴承钢表面进行了气体、金属、金属加气体的离子注入和碳化钛(TiC)、类金刚石(DLC)薄膜的等离子体浸没离子注入与沉积(PⅢD).对处理后的试样进行了X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、俄歇电子能谱(AES)和拉曼光谱(Raman)分析;测试了处理前后试样的显微硬度、磨痕宽度和摩擦系数.结果表明:处理后试样表面均形成了不同的改性层,且改性层中化学组成和各元素的浓度-深度分布随处理工艺的不同而变化;处理后试样的显微硬度都有较大提高,最大增幅达77.7%;表面摩擦系数由0.8下降到0.16;磨痕宽度减少了23倍;与PⅢ工艺相比,相同参数下,PⅢD处理后的试样表面综合性能更加优异.     

金属等离子体浸没离子注入改善9Cr18轴承钢表面耐磨性的研究

采用新改进的阴极弧金属等离子体源 ,对 9Cr18轴承钢进行了金属等离子体浸没离子注入 (PIII)处理。首先将Ti,Mo和W离子分别注入到 9Cr18钢的表面 ,然后再对其进行N等离子体浸没离子注入 ,从而在 9Cr18钢表面形成了一层超硬耐磨的改性层。对PIII处理后的试样进行了显微硬度和磨损特性测试 ,结果表明 ,经PIII处理后的试样表面的显微硬度和耐磨性显著提高 ,而其中经Ti和Mo注入再进行N离子注入的试样效果更为明显。与仅进行N离子注入的试样相比 ,金属加N离子注入的试样表面耐磨性提高幅度更大 ,表明金属PIII在改善 9Cr18钢表面性能方面具有广阔的应用前景。XPS分析结果表明 ,PIII处理后试样表面形成了超硬的氮化物相 ,它们在改善材料表面特性中起到了重要的作用。     

等离子体浸没离子注入技术综述

作为一种新的表面处理技术,离子注入技术在工业制造零件表面改性方面取得巨大的贡献,本文对等离子体浸没式离子注入技术做了简单介绍,主要介绍了其在材料表面改性方面中的优缺点及应用,就其发展前景做了展望。     

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。     

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.     

Engineering the tube size for an inner surface modification by plasma-based ion implantation

In order to apply the inner surface modification of the tube component by plasma-based ion implantation (PBII) technique, the tube size has been characterized by introducing a characteristic parameter - the critical radius of tube (CRT) to optimize the process parameters of a grid-enhanced PBII technique for the nitrogen ion implantation onto the inner surface of an Fe-Cr-Ni stainless steel tube under the process conditions, including the plasma density of central plasma source, the steady pulse voltage, the grid electrode radius, and the processing pressure. The temporal sheath dynamics of the ion matrix sheath on the inner surface of the tube component modified by PBII were demonstrated by the collisional fluid model using the equations of ion continuity and ion motion, Poisson’s equation, and Boltzmann’s relationship of electron to determine the effective range of the process parameters. The optimum process parameters were found by the effect factors of the CRT which was bounded by the two important process parameters, i.e. the ion implantation dose and the processing time, for the engineering practice due to the available dependence on the surface modification effect in suitable costs.     

等离子体基离子注入菱形靶鞘层扩展的流体动力学模拟

利用流体动力学模型,研究了围绕菱形靶的等离子体鞘层扩展,通过改变靶的形状,考察了不同角度外角对鞘层的时空演化及等离子体参量的影响。结果表明,外角愈尖锐,鞘层扩展速度愈慢,而参考平面处鞘层扩展速度最快,因而使鞘层有向圆柱形扩展的趋势,尽管尖锐的外角处电荷密度高,会吸引较多的离子轰击该处,但非垂直入射会显著降低离子入射剂量。     

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、批量处理研究等是十分有用的。但由于球形靶鞘层Child-Langmuir定律数学表达的非线性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。当等离子体密度较高、注入电压较低时,稳态鞘层厚度对于靶体半径的变化极不敏感。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阵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。     

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。     

Effects of dielectric substrate thickness on plasma immersion ion implantation

A one-dimensional plasma fluid model is developed for investigating the effects of dielectric substrate thickness on plasma immersion ion implantation. By considering the effects of secondary electron emission from the dielectric substrate and using finite difference schemes, evolution of plasma sheath, ion fluence and dielectric surface potential versus time and substrate thickness are evaluated. It was demonstrated that with the increasing dielectric thickness, sheath width and ion fluence over the dielectric surface decrease and surface potential reduces. These effects can be attributed to the accumulation of positive ions and ejection of secondary electrons from the dielectric surface and thereby lessening the strength of the electric field over the dielectric substrate. It is also shown that the secondary electrons have a profound effect on implantation results and must be considered in plasma immersion ion implantation of dielectric materials.     

Sheath dynamics in a cylindrical PET-film for plasma immersion ion implantation

The characteristics of sheath in a cylindrical Polyethylene terephthalate (PET) film for plasma immersion ion implantation (PIII) have been investigated numerically using a one-dimensional self-consistent fluid model. The time-dependent surface potential and the charge density accumulated on the inner surface of PET-film are obtained. The numerical results demonstrate that the charging effects lead to the reduction of surface potential during pulse on time, the implanted ions thus cannot reach the desirable energy. In order to diminish the influence of charging effects one can shorten the pulse fall time and thin the PET-film.     

The ion density distribution in a magnetized plasma sheath

The ion density distribution of plasma sheath in an oblique magnetic field is investigated with a fluid model. We performed numerical simulations of the sheath. The results reveal that the magnetic field has significant effects on the plasma sheath, including ion density distribution and space charge density distribution. Two cases of ion incidence are considered here. Under suitable conditions, Lorentz force induces fluctuations in the ion density. And the magnetic field parallel to the board is responsible for these changes. The action states of ions are more complicated while the ions enter the sheath with an oblique incidence angle. Ions could gather in some regions, so that it leads to small peaks of the density curve. Also the space charge density in such regions is slightly higher.     

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。     

Ion dynamics in plasma sheath under the effect of E×B and collisional forces

Using the fluid model, we investigated the velocity, kinetic energy and the density distribution of the ions in collisional and collisionless magnetized plasma sheath. Considering an external magnetic field, the ion movement under the effect of magnetic, electric and collisional forces has been analyzed numerically. The nonexistence of fluctuations in ions kinetic energy in collisionless strong magnetized plasma sheath and increasing the ions velocity in depth direction due to the collisions in some positions in the sheath are shown. The fluctuations of ion velocity in weak magnetized plasma sheath are shown too when ions enter the sheath with oblique incident angle.