C_n团簇注入制备石墨烯的研究进展

石墨烯是碳原子构成的单层二维晶体,在高频电子学和光电子器件领域具有广泛应用前景,厚度可控的大面积石墨烯的制备是实现规模化应用的前提。文中在介绍现有石墨烯制备技术优缺点的基础上,重点介绍了近几年离子注入过渡金属镍制备石墨烯的研究成果。研究表明:在低能碳团簇C_n注入制备石墨烯的过程中,离子能量、注入剂量、团簇尺寸、基体材料特性和退火条件是影响石墨烯物理性质的重要因素。团簇离子注入在基体表层引起的辐照损伤具有非线性效应,精确控制剂量的C_n团簇注入到基体中主要起到提供可控掺杂碳源的作用,高质量石墨烯的合成需要进行多晶基体预热处理以减少晶界密度,同时需采取精细的后续热处理工艺,控制碳原子在基体表面横向扩散和偏析,以满足石墨烯形核生长的关键条件。     

一种兆伏级低能加速器端电压的校准方法

受设备使用年限、工作环境和零部件更换等因素影响,兆伏(MV)级低能加速器端电压需要通过较准保证经端电压加速决定的出射离子的能量。本方案以2×1.7 MV串列加速器为例,利用12C(p, p)12C材料非卢瑟福背散射谱在1 750 keV能量点附近出现一个孤立的质子共振散射单峰的特点,采用质子(proton, p)束流垂直入射到高纯石墨靶获得12C(p,p)12C的非卢瑟福背散射谱,结合多道分析器(MultichannelAnalyzer,MCA)和SIMNRA6.05拟合程序,定量测量到入射质子束在石墨靶表面发生共振散射的能量阈值为(1 744±2) keV,从而外推出此时加速器端电压的实际值,并对校准结果进行了误差分析。这为MV级低能静电型范德格拉夫加速器(Van der Graff accelerator)或串列加速器在低能区提供了一种有效的端电压较准方法。     

类金刚石膜的制备及其物理性质

我们分别用射频等离子体法和无质量分析低能碳氢离子束沉积法在p型和n型单晶硅衬底上形成了类金刚石膜,用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、二次离子质谱(SIMS)和X射线光电子谱(XPS)等方法对膜的晶体结构和成分等进行了分析,对膜的电阻率、导电类型及膜与衬底间的伏安特性等电学性质和折射率等光学性质进行了测试。不同条件下得到的碳膜都具有非晶结构;碳膜电阻率随沉积粒子不同和杂质含量,有较大变化,最大可达10~(12)欧姆·厘米左右;类金刚石膜的导电类型决定于杂质种类及其活化情况,膜中杂质主要是来源于系统的铝和由衬底扩散而来的硅、硼、磷等,含铝的类金刚石膜在离子轰击退火的情况下呈p型,而含磷的类金刚石膜则呈n型导电性;碳膜折射率随沉积条件有较大变化,对6328(?)波长的光,膜的折射率在1.5～2.4之间变化。     

团簇离子束纳米加工技术研究进展

团簇离子束是带电的团簇,可以在电场、磁场作用下加速、传输或偏转,形成几个eV到几个MeV能量的离子束。文中阐述了团簇离子束的基本概念、产生方法和主要应用。大尺寸气体团簇和硼基团簇必须用高压气体超声绝热膨胀方法产生,然后通过电子碰撞电离形成团簇正离子。硼团簇用于超浅结制备,实现了结深为10~20nm的超浅注入;包含数千原子的大团簇则被用于半导体的表面平化,获得了粗糙度在0.7nm以下的平滑表面。用铯溅射离子源可以产生几个到几十个原子的负离子小团簇,包括B、C、F、Si及其分子团簇(SiB、GeB)。其中,硼基分子团簇离子束已用于对半导体进行瞬态增强扩散掺杂,与半导体表面的离子注入非晶化工艺相结合,实现了接近纳米量级的超浅注入。碳系团簇最近被用于超薄材料制备,获得了单层和双层石墨烯,并发现团簇离子束引起的非线性辐照损伤对石墨烯的形成具有重要影响。结果表明:团簇离子技术在超大集成电路和新型超薄纳米材料制备等领域具有广泛的应用前景。     

加速器联机装置运行状况

2008年武汉大学加速器联机系统初步建成,200 kV离子注入机至透射电镜束线进行了运行调试,开展了气体离子注入单晶Si、GaAs、Ag纳米晶和超临界反应堆材料(C276和6XN)的原位结构研究。结果表明,样品在注入至一定剂量时发生明显多晶和非晶化,单晶Si出现非晶化的临界剂量在10~(14) cm~(-2)。C276材料经1×10~(15)cm~(-2)的Ar离子辐照后,产生尺寸3-12 nm的位错环,其密度随剂量提高而增大,至5×10~(15)cm~(-2)出现多晶,剂量超过3×10~(16) cm~(-2)出现非晶化。在加速器-电镜联机光路上安装在线RBS靶室对离子束辐照材料进行元素成分和晶格定位测试。靠近电镜端安装50 kV低能离子源,开展核材料中氦泡形成过程的原位观测。对RBS/C装置进行数字化改造,用Labview控制系统运行,目前可进行计算机控制的背散射沟道测试。     

Magnetooptics of non-Kramers Eu3＋ ions in garnets： analysis complemented by crystal-field splitting modeling calculations

Spectra of absorption, luminescence, magnetic circular dichroism (MCD), and magnetic circular polarization of lumines-cence (MCPL) in Gd3Ga5O12:Eu3+and Eu3Ga5O12 garnets were studied within the visible...     

高速钢镀C_3N_4/TiN复合超硬薄膜的研究

采用DC反应磁控溅射和多弧离子镀相结合的方法,在高速钢基体上沉积C3N4/TiN复合超硬薄膜。用X光电子能谱(XPS)分析了氮化碳的元素组成。X射线衍射(XRD)和透射电子衍射(TED)分析证明,氮化碳以硬质结晶相存在。复合膜的显微硬度Hv=35.1～46.7GPa,划痕试验表明,薄膜在高速钢上的附着力达到JB/T8365—96标准     

电弧离子镀制备TiBN纳米复合涂层

目的在纯N_2气氛环境下,低温制备TiBN纳米复合涂层,为TiBN涂层工业化生产积累科学数据。方法采用离子源增强阴极电弧离子镀系统,在硬质合金衬底上制备TiBN纳米复合涂层,系统研究了N_2气压对TiBN涂层晶体结构、表面形貌、硬度和耐磨性能的影响。结果 N_2气压对TiBN纳米复合涂层的晶体结构、表面形貌、硬度及摩擦系数的影响明显。随着N_2气压的升高,TiBN涂层中的TiN晶相逐渐增多,TiB_2晶相逐渐减少,为TiN晶粒和TiB_2晶粒镶嵌于非晶BN基体的复合结构。在0.5 Pa气压下,涂层硬度达3150HV。对于对磨材料硬质合金而言,TiBN涂层的摩擦系数为0.4左右。结论离子源增强电弧离子镀技术可以用于TiBN涂层的制备,制备出的TiBN涂层为纳米晶镶嵌于非晶的纳米复合涂层,涂层的显微硬度较高。在TiBN纳米复合涂层的工业化生产中,沉积N_2气压不宜偏高。     

多弧离子镀制备TiN/TiBN纳米复合涂层的结构和性能

为了满足复合材料高速切削加工的需要,用金属Ti靶和纯TiB2靶作为靶材料,在N2气氛下用多弧离子镀方法制备了TiN/TiBN纳米复合涂层。利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)分析涂层的组织结构、成分和表面形貌;利用显微硬度计、划痕仪和球盘摩擦仪分析调制周期对涂层力学性能的影响。结果表明:TiN/TiBN纳米复合涂层的调制周期范围为5.5~21nm,主要成分为晶相TiN、非晶BN和TiB2;调制周期对涂层的力学性能有较大的影响,随着调制周期的减小,硬度增加,调制周期最小时最大硬度达到29GPa;最大膜基结合力为88N,且所有样品均表现出较高的膜基结合力。随着转速的增大,摩擦因数与表面粗糙度两者表现出相同的变化趋势,摩擦因数最大值为0.31,其低摩擦因数与自润滑的BN相的存在有关。调制周期减少,界面积增加,TiN/TiBN纳米复合涂层的力学性能增强。     

工作气压对TiBN/TiAlSiN纳米多层涂层的结构和性能影响

为应对高速干式切削、工磨具行业对新型防护涂层的需求,制造高硬度、耐摩擦磨损的纳米复合涂层具有巨大的市场前景。 采用阴极多弧离子镀技术,在不同的工作气压下用 TiB2 和 TiAlSi 合金靶作为阴极蒸发靶材,在硬质合金衬底上分别沉积了 TiBN,TiAlSiN 涂层和 TiBN/ TiAlSiN 多层涂层。 借助于 XRD、 XPS、 SEM、 AFM 和 HRTEM 对涂层的成分、形貌及微观结构进行表征分析。 并用纳米压痕硬度计和球盘式摩擦测试仪分别研究了涂层的硬度和摩擦磨损性能。 研究结果表明:TiBN/ TiAlSiN 涂层呈现一种非晶相包裹纳米多晶相的微观结构形态,工作气压越高,涂层表面越趋于光滑;涂层在 1. 0 Pa 工作气压下涂层显微硬度值达到 38 GPa;在 2. 0 Pa 的工作气压下,涂层显微硬度值约 34 GPa,摩擦因数低于 0. 29。 与 TiBN 和 TiAlSiN 涂层相比,TiBN/ TiAlSiN 纳米多层涂层的机械、摩擦学性能更加优越,这为应用在干式切削、磨削工具领域的硬质润滑多层涂层的制备与研究指明了一条方向。