离子注入表面改性技术-

4.1离子注入的特点 Disadvantages
? 设备一次性投资大、设备相对复杂、相对昂贵（ 尤其 是超低能量离子注入机 ）
? 注入时间长、注入深度浅，不适合复杂形态结构改性 ? 如会产生缺陷，甚至非晶化，必须经高温退火加以改
进 ? 有不安全因素，如高压
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4.2 离子注入原理
1963年，Lindhard, Scharff and Schiott 首先确立 了注入离子在靶内分布理论，简称 LSS理论。
LSS 理论 ——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究
该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个 彼此独立的过程
(1) 核碰撞（nuclear stopping ） (2) 电子碰撞（electronic stopping ） 阻止本领（stopping power ）：材料中注入离子 的能量损失大小。
? 低温过程 （因此可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质）； 避免了高温过程引起的热扩散；易于实现对化合物半导体的掺杂；
? 横向效应比气固相扩散小得多，有利于器件尺寸的缩小
? 高真空条件进行 不受环境影响，基体外表无残留物，能保持原有的 外廓尺寸精度和表面光洁度，特别适合 高精密部件 的最后工艺
最后出现一个富碳层，聚合物化学配比和结构的变化，也引 起了聚合物表面力学性能的变化。Ochsner等人用50keV， 100keV和200keV的B，N，Cr离子注入PMMA（聚甲基丙烯酸甲 脂）、PE-HD（高密度聚乙烯），PC（聚碳酸脂），发现注 入能量增加，富碳层加强，致密化加强。PC、PE-HD和PMMA 在离子注入后微观硬度都得到了加强。
离子注入的基本过程
?将某种元素的原子或携 带该元素的分子经离化 变成带电的离子
?在强电场中加速，Baidu Nhomakorabea得 较高的动能
?注入材料表层（靶）以 改变这种材料表层的物 理或化学性质
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4.1离子注入的特点
Advantages
? 非热平衡过程 ，因此原则上可以将任何元素注入固体中，注入元素 的种类、能量和剂量均可选择，并能精确控制。
原子核的能量。
? ? Sn
E
?
? ???
dE dx
? ???n
电子碰撞
? 电子碰撞指的是注入离子与 靶内白由电子以及束缚电子 之间的碰撞。
? 注入离子和靶原子周围电子 云通过库仑作用，使离子和 电子碰撞失去能量，而束缚 电子被激发或电离，自由电 子发生移动。
? 瞬时地形成电子 -空穴对。
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核碰撞
? 核碰撞：能量为E的 一个注入离子与靶 原子核碰撞，离子 能量转移到原子核 上，结果将使离子 改变运动方向，而 靶原子核可能离开 原位，成为间隙原 子核，或只是能量 增加。
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碰撞参数 p≤r 1+r 2
核阻止本领 能量为E的注入离子在 单位密度靶内运动单 位长度时，损失给靶
4.3离子注入在高分子材料表面改性中的应用
? 离子注入是一种利用物理方法控制分子聚集状态进行表面改 性的有效手段，通过离子注入高分子材料，不仅能提高材料 表面机械性能，而且可以改善高分子材料的导电性能、光学 特性和磁学性能等。
（1）离子注入提高表面硬度，增强抗磨损性能 ? 离子注入引起聚合物断链、交联，产生自由基和挥发性物质，
第四节 离子注入表面改性技术
? 4.1 离子注入的特点 ? 4.2 离子注入的原理 ? 4.3 离子注入在高分子材料表面改性的应用
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4.1离子注入的特点
什么是离子注入
离子注入就是将工件放在离子注入机的真空靶室中，在几十至几百千伏下， 把所需元素离子注入工作表面，形成一层在组织和结构上都不同于底材注入层， 从而改善材料性能
电子阻止本领
Se ?E ??
?? dE ? dx
?? ?e
?电子阻止本领和注入离子 的能量的平方根成正比。
? ? Se E ? Cv ion ? ke E 1/ 2
ke ? 0.2 ? 10 15 eV 1/ 2 cm 2
离子 速度
4.2 离子注入原理
? 离子注入对高分子材料的改性，是通过离 子注入使材料的结晶、组分以及分子空间 位置，是一种采用物理方法来达到化学目 的的手段。它可以进行任意元素的掺杂， 且注入离子的能量和剂量也可以任意选择， 不受化学方法中某些条件的限制。因此， 离子注入能迅速改变材料的组分和性能， 导致材料的化学和物理性能的改变。
? 离子注入 功率消耗低 ，以表面合金代替整体合金，节约金属而且无 毒有利于环保
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4.1离子注入的特点
离子注入过程是一个 非平衡过程，高能离子进入 靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失 能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，大 部分不在晶格上，因而没有电活性。
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4.2 离子注入原理
核碰撞 ：能量为 E的一个注入离子与靶原子核 碰撞，离子能量转移到原子核上，结果将使离 子改变运动方向，而靶原子核可能离开原位， 成为间隙原子核，或只是能量增加。 电子碰撞 ：指的是注入离子与靶内白由电子以 及束缚电子之间的碰撞。注入离子和靶原子周 围电子云通过库仑作用，使离子和电子碰撞失 去能量，而束缚电子被激发或电离，自由电子 发生移动。
? 由于离子实在高能状态强行挤入基体的，因此 基体材料不受限制 ， 不受传统合金化规则如热力学、相平衡和固溶度等物理冶金学因素 的制约，可获取新合金相
? 注入元素进入基体后成高斯分布 ，不形成新的界面，没有因届满引 起的腐蚀、开裂等涂层易引起的缺陷，从而解决许多涂层技术中存 在的粘附问题和热膨胀系数不匹配问题
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4.2 离子注入原理
离子注入对材料结构的影响
1、大分子链被打断成为活性自由基，自由基 之间相互结合生成三维网状交联结构。随着电 子阻止能量损失的增加，高分子材料的交联度 也相应增加，从而引起高分子材料力学性能的 变化。这种力学性能的改变程度依赖于离子注 入的种类、离子注入能量以及注入的方式。
2、在离子注入过程中，离子能量传递给晶格， 并促使高分子材料表面发生剧烈的结构变化。
4.2 离子注入原理
? 3、高分子材料受离子轰击，碳氮、碳氢及 碳氧键被打断，表现出新的化学键形成和 大分子构成元素的变化。
? 4、离子注入不只产生断键和交联，而且产 生导致新化学键形成的微合金。
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