离子注入表面改性技术-
离子注入技术改性聚酰亚胺薄膜的研究进展
耐磨损的表面 ， 试样 横截 面 的透射 电子 显微 镜 （ Ｅ 分析 Ｔ Ｍ） 结果表明 ， 在注入层 中不存在金属颗粒及 ＷＣ复合物 ， ｗ～ ｃ
键 可 能 抑 制 了钨 原 子 的 迁 移 ； 注入 剂量 为 １×１ ｉ ｓ ｅ 当 ０ ｏ ／ｒ ｎ ａ
于 ：１ 离子注入 是借 助于 电场力 将离 子 注入基 体材 料 中 ， （） 原则上可将任何元 素引入到 固体 中， 而不受 固溶度 和热平衡 的限制 ；２ 注入离子在基体 中与基体原 子混合 而无 明显界 （）
Ｓ Ｆ 等各种金属或 非金 属离子 ） 速 到几万 、 ｉ ｅ 、 加 几十 万甚 至更 高电子伏 特 ， 然后注入 固体材料表 面层 的技术 。材料 经 离子 注入 后 ， 表面层 的成 分和结 构都会 改变 ， 进而 导致其 物
理 、 学 、 学 性 能 发生 极 大 变化 。 化 力 相对 于 其 它 表 面 改 性 技 术 ， 子 注 入 技 术 的 优 越 性 在 离
真空条件下进行 ， 整个 过程清 洁而无 环境污染 ， 注入 的材 被 料或零件不会产生变形 ， 能保 持其 原有 的尺寸精度 。
聚 酰 亚 胺 （ Ｉ 是 主 链 中 含 有 酰 亚 胺 环 单 元 的一 类 芳 杂 Ｐ）
后， 发现薄膜中生成了纳米尺寸的金属纳米颗粒 ； 而用 Ｆ 、 ｅ ｗ 和 Ｋ离子对 Ｐ 薄膜注入却没有发现相应的金属纳米颗粒 生 Ｉ
成。
环高分子化合物 ， 因其优 异的热稳 定性 、 力学性能 、 耐化学药 品性 以及 高介 电性能 等 ， 在很 多领域都 有广泛 的应 用 ， 尤
其 是 在 核 电站 、 用 飞 机 和 太 空 飞 船 上 。 近 年 来 ， 离 子 注 军 用
离子注入对金属材料改性
离子注入材料表面改性的研究方法【摘要】本文论述了离子注入材料表面改性的特点和发展应用，阐述了离子注入材料表面改性的机理。
大量研究表明，离子注入通过改变材料表面和界面的物理化学特性及微观结构，能够显著提高材料的抗磨损，抗疲劳，抗腐蚀，抗氧化特性。
离子注入不仅可以提高材料表面性能，延长材料使用寿命，还可以节约贵金属资源，具有很好的经济效益和应用前景。
【关键词】离子注入技术；材料表面改性；研究方法1.前言20世纪70年代，离子注入应用于材料表面改性并逐渐发展成一种新颖有效的材料表面改性方法。
它是把工作(金属，合金，陶瓷等)放在离子注入机的真空靶室中，通过加高电压，把所需元素的离子注入到工件表层的一种工艺。
材料经离子注入后，在其零点几微米的表层中增加注入元素和辐照损伤，从而使材料的物理化学性能发生显著变化。
大量实验证实，离子注入能使金属和合金的摩擦因素，耐磨性，抗氧化性，抗腐蚀性，耐疲劳性以及某些材料的超导性能，催化性能，光学性能等发生显著变化，能够大大提高材料的性能和使用寿命。
离子注入在工业中应用能取得很好的效益，除延长工件的使用寿命外，还由于离子注入仅用较少量的合金元素，就可以得到较高的表面合金浓度，因而可以节约贵重金属[1]。
2.离子注入特点与通常的冶金方法不同，离子注入是用高能量的离子注入来获得表面合金层的，因而有其特点:(1)离子注入是一个非热平衡过程，注入离子的能量很高，可以高出热平衡能量的2-3个数量级。
因此，原则上周期表中的任何元素都可以注入任何基体材料。
(2)注入元素的种类，能量，剂量均可选择，用这种方法形成的表面合金，不受扩散和溶解度的经典热力学参数的限制，即可得到用其他方法难以获得的新合金相。
(3)离子注入层相对基体材料没有明显的界面，因此表面不存在粘附破裂或剥落问题，与基体结合牢固。
(4)离子注入可以通过控制注入剂量，注入能量及束流密度来精确控制注入离子的浓度和深度的分布。
(5)离子注入一般是在常温真空中进行，加工后的工件表面无形变，无氧化，能保持原有尺寸精度和表面粗糙度，特别适合于高精密部件的最后工序。
ldd离子注入原理 -回复
ldd离子注入原理-回复ldd离子注入原理是一种常用的表面改性技术，主要应用于材料科学和半导体工艺领域。
ldd（Lightly Doped Drain）指的是轻度掺杂漏极区，离子注入则是一种将离子物种引入材料表面的方法。
本文将详细介绍ldd离子注入的原理、工艺步骤以及其在相关领域的应用。
1. ldd离子注入原理介绍ldd离子注入原理基于半导体器件中金属和半导体之间的pn结。
通过在器件的一个区域控制性地注入离子，可以调整该区域的电学性能。
ldd离子注入技术的主要目的是控制漏极区域的电阻和阈值电压，以提高器件的性能。
2. ldd离子注入的工艺步骤ldd离子注入的工艺步骤主要包括掩膜制备、离子注入、退火和电子束曝光。
下面将详细介绍每个步骤的具体过程：2.1 掩膜制备掩膜制备是整个离子注入工艺的第一步，主要是为了确定要注入离子的区域。
常用的掩膜材料有光刻胶和二氧化硅等。
首先，在材料表面涂覆一层光刻胶，并用掩膜板进行曝光和显影，以形成期望的图案。
然后，利用湿法或干法等方法去除不需要的区域的光刻胶，得到完整的掩膜。
2.2 离子注入离子注入是ldd离子注入工艺中最关键的步骤。
注入的离子物种根据具体的应用而定，常见的有硼、砷、磷等。
首先，将待注入的半导体器件放入一个离子注入机，通过加速电场将离子物种引入器件的表面。
控制离子注入的能量和剂量可以在漏极区域形成特定的电学性能。
2.3 退火退火是离子注入后的一个重要步骤，目的是消除材料中的损伤和缺陷，并使离子更好地分布和结合。
一般通过高温处理来实现退火，温度和时间的选择要考虑到材料的特性和离子的性质。
2.4 电子束曝光电子束曝光是ldd离子注入工艺的最后一步，主要是为了去除掩膜，并用电子束照射来调整器件的性能。
通过电子束曝光可以消除掩膜带来的电学性能变化，得到最终的ldd离子注入器件。
3. ldd离子注入在相关领域的应用ldd离子注入技术在材料科学和半导体工艺领域有着广泛的应用。
第七章 表面改性技术-离子束表面改性
关于离子束 离子注入表面改性的原理 离子注入表面改性的过程 离子注入表面改性的几种方式 离子注入表面改性的示意图 离子注入表面改性的优缺点 视频
真空中有一束离子束射向一块固体材料 时会发生哪些现象呢？
• 离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这 个现象叫做溅射；
• 离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或 者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；
• 离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度 慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中，这一现象就 叫做离子注入。
离子产生
气态元素的离子化比较容易，如常用的氮气， 把氮气引入离子注入机的离子源内，在存在高温灯 丝加速电子的情况下，氮离子被电离，形成等离子 体，正离子经狭缝从离子源中被抽出，随后被加速。
离子注入技术优点：
• 5）离子注入是一个非热平衡过程，注入离子的能量 很高，可以高出热平衡能量的2～3个数量级。因此， 原则上讲，周期表上的任何元素，都可注入任何基 体材料。
• 6) 注入元素的种类、能量、剂量均可选择，不受扩 散和溶解度的经典热力学参数的限制，即可得到用 其它方法得不到的新合金相。
⑥离子扫描。
因被引出的离子束一般为批～2mm的细束，或 lmmX40mm的长条束而难以大面积注入，故要对其进行X 和y方向扫描，即在X平板或y平板上加上一定扫描频率的 三角波电位来实现X和y方向均匀扫描。
⑦注入量的精确测量。
注入到晶片上的离子数量可用法拉第筒进行精确测量， 并用电荷积分仪来精确计量流人法拉 • 2）无需热激活，无需高温环境，因而不会改变工
件的外形尺寸和表面光洁度 • 3）离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物
理和化学相互作用而形成的一个新表面层，相对 于基体材料没有边缘清晰的界面，它与基体之间 不存在剥落问题，与基体结合牢固。 • 4）离子注入一般是在常温真空中进行，加工后的 工件表面无形变、无氧化，能保持原有尺寸精度 和表面粗糙度，无需再进行机械加工和热处理。 特别适于高精密部件的最后工艺。
表面改性的离子束技术知识
目
CONTENCT
录
• 离子束技术概述 • 表面改性技术 • 离子束表面改性技术 • 离子束表面改性技术的应用 • 未来展望
01
离子束技术概述
离子束技术的定义
离子束技术是一种利用离子束对材料表面进行改性的技术，通过 离子束对材料表面的撞击和注入，实现材料表面的物理、化学和 机械性能的改变。
应用机遇
随着科技的不断进步，对高性能材料的需求日益增长，离子束表面改性技术在提高材料性能、延长使用寿命等方 面具有显著优势，具有广阔的市场前景。
离子束表面改性技术的未来研究方向Βιβλιοθήκη 010203
04
深入研究离子束与材料表面的 相互作用机制，提高对表面改 性过程的控制能力。
深入研究离子束与材料表面的 相互作用机制，提高对表面改 性过程的控制能力。
详细描述
离子束技术通过将高能离子注入材料表面，诱导表面形成硬化层 和增强相，从而提高材料的硬度和耐磨损性能。这种改性方法在 金属、陶瓷和复合材料等领域得到广泛应用。
提高材料表面的耐腐蚀性
总结词
离子束表面改性技术通过改变材料表面的化学成分和结构，有效提高其耐腐蚀 性能，延长使用寿命。
详细描述
离子束技术可以改变材料表面的元素组成和微观结构，形成具有优异耐腐蚀性 能的表面层。这种改性方法在海洋工程、石油化工和汽车制造等领域具有广阔 的应用前景。
总结词
离子束表面改性技术能够优化材料表面 的光学性能，提高反射、吸收或散射等 特性。
VS
详细描述
离子束技术可以通过精细调控表面成分和 微观结构，实现对材料表面光学性能的优 化。这种改性方法在光学仪器、光电器件 和装饰行业等领域具有广泛的应用价值。
离子注入技术(Implant)
能源等领域。
新能源
离子注入技术在太阳能电池、燃 料电池等新能源领域中也有广泛 应用，通过优化材料表面的性能， 提高新能源器件的效率和稳定性。
离子注入技术的发展历程
起源
离子注入技术最早起源于20世纪 50年代的美国贝尔实验室，最初 是为了解决半导体材料的掺杂问 题而发明的。
注入机的结构
注入机通常由离子束控制 装置、注入室、注入了材 料夹具等组成，以实现精 确控制和高效注入。
检测与控制系统
检测与控制系统的作用
检测与控制系统用于实时监测离子注入的过程和结果，同时对设备进行精确控制，确保 工艺参数的一致性和稳定性。
检测与控制系统的组成
检测与控制系统通常包括传感器、信号处理电路、控制电路和显示面板等组成，以实现 实时监测和控制。
离子注入技术(Implant)
• 离子注入技术概述 • 离子注入技术的基本原理 • 离子注入技术的主要设备 • 离子注入技术在半导体制造中的应
用 • 离子注入技术的挑战与未来发展
01
离子注入技术概述
定义与特点
定义
离子注入技术是一种将离子化的物质注入到固体材料表面的工艺，通过改变材 料表面的成分和结构，实现材料改性或制造出新材料的表面工程技术。
真空系统的组成
真空系统通常包括真空 室、机械泵、扩散泵、 分子泵等组成，以实现 高真空的获得和维持。
注入机
01
02
03
注入机的作用
注入机是离子注入技术的 关键设备之一，它能够将 离子束按照预设的参数注 入到材料表面。
注入方式
注入机通常采用定点注入、 扫描注入和均匀注入等方 式，以满足不同材料和工 艺的需求。
离子注入技术的发展及其在材料方面的应用
离子注入技术的发展及其在材料方面的应用摘要离子注入是一项新兴的材料表面改性技术。
它可以使材料表面的机械、物理、化学、电学等性能发生变化。
有效地提高材料表面的硬度以及耐磨擦、耐磨损、抗腐蚀、抗疲劳等能力，延长材料使用寿命，增加经济收益。
本文介绍了离子注入的基本原理以及技术特点，描述了离子注入在金属材料表面改性、半导体材料以及超导方面的技术应用，并展望了离子注入的应用前景。
关键词：离子注入；材料；表面改性；半导体；超导一、绪论离子注入技术于七十年代初首先成功地应用于半导体工业，成为制备大规模集成电路必不可少的手段之一。
八十年代起人们把离子注入技术开始用于金属材料的表面改性。
由于该项技术本身的独特优点、良好的改性效果以及潜在的巨大经济效益，近年来吸引了愈来愈多的研究者开始从事该项技术的开发研究。
日前，随着应用范围的日益扩大和理论研究的不断深入，离子注入技术日趋成熟。
近年来离子注入的方式也更加多样化，除了常规离子注入外，由此派生出的其它注入方法有：反冲注入、动态反冲注入、离子束混合等。
注入方式的多样化完善了注入实验手段，使人们对各种具体情况可以选择恰当的注入方式，以满足不同的要求。
在实际应用中，很多方面都需要固体材料有较好的表面性能，如耐腐蚀性，抗磨损性，较高的硬度和抗氧化性等，而这些性能都直接与固体材料表面成分，结构组态，化台物相等有关，离于注入技术是最重要的手段之一。
离子注入技术应用于金属材料的改性，从碳素工具钢、硬质合金刚到人造或天然金刚石制造的量具、刃具、刀具、模具和工件等，通过表面改性，可提高使用寿命。
经离子注入后，材料(或工件)韵表面硬度、耐磨损性能、抗腐蚀能力及使用寿命等，一般可提高几倍到十几倍。
目前，离子注入已经发展成为一门核技术与金属学之间新兴的边缘学科——“离子注入冶金学” (Ion Implantation Metallurgy)。
各发达国家都十分关注这门学科的发展和应用。
二、关于离子注入的简单介绍（一）离子注入的定义离子注入是利用某些杂质原子经离化后形成带电杂质离子，离子经过一定的电场加速，直接轰击靶材料实现掺杂或其他作用。
离子注入表面改性技术在钛合金中的研究进展
离子注入的概念
1. 材料改性：通过注入特定的离子，可以改变材料的化学成分、晶体结构或者物理性质。 例如，通过注入氮离子可以增加材料的硬度和耐磨性，通过注入硼离子可以改善材料的导电 性能。
2. 半导体器件制造：离子注入在半导体器件制造中起着关键作用。通过注入特定的离子， 可以改变半导体材料的导电性质，形成PN结、源极和漏极等结构。
离子注入的概念
离子注入是一种材料加工技术，它通过将高能离子束注入到材料中，改变材料的物理、化 学性质或者结构。
离子注入通常使用离子加速器来产生高能离子束。离子加速器会加速离子，使其具有足够 的动能穿透材料表面并嵌入到材料内部。注入的离子可以是单一种类的离子，也可以是多种 不同种类过注入离子可以改变材料表面的化学成分和性质，从而实现表面硬化、耐 腐蚀、抗氧化等效果。这在航空航天、汽车、电子等领域中具有重要应用。
4. 生物医学应用：离子注入在生物医学领域中也有一些应用。例如，通过注入离子可以改 变医用材料的表面性质，提高其生物相容性和耐久性。
离子注入技术具有可控性强、加工速度快、适用于各种材料等优点，因此在多个领域得到 广泛应用。
什么是离子注入技术
什么是离子注入技术离子注入技术介绍：把掺杂剂的原子引入固体中的一种材料改性方法。
简单地说，离子注入的过程，就是在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在所选择的（即被注入的）区域形成一个具有特殊性质的表面层（注入层）。
离子注入的基本特点:①纯净掺杂,离子注入是在真空系统中进行的,同时使用高分辨率的质量分析器,保证掺杂离子具有极高的纯度。
②掺杂离子浓度不受平衡固溶度的限制。
原则上各种元素均可成为掺杂元素，并可以达到常规方法所无法达到的掺杂浓度。
对于那些常规方法不能掺杂的元素,离子注入技术也并不难实现③注入离子的浓度和深度分布精确可控。
注入的离子数决定于积累的束流，深度分布则由加速电压控制，这两个参量可以由外界系统精确测量、严格控制。
④注入离子时衬底温度可自由选择。
根据需要既可以在高温下掺杂，也可以在室温或低温条件下掺杂。
这在实际应用中是很有价值的。
⑤大面积均匀注入。
离子注入系统中的束流扫描装置可以保证在很大的面积上具有很高的掺杂均匀性。
⑥离子注入掺杂深度小。
一般在1um 以内。
例如对于100keV 离子的平均射程的典型值约为0.1um。
离子注入技术的发展离子注入首先是作为一种半导体材料的掺杂技术发展起来的，它所取得的成功是其优越性的最好例证。
低温掺杂、精确的剂量控制、掩蔽容易、均匀性好这些优点，使得经离子注入掺杂所制成的几十种半导体器件和集成电路具有速度快、功耗低、稳定性好、成品率高等特点。
对于大规模、超大规模集成电路来说，离子注入更是一种理想的掺杂工艺。
如前所述，离子注入层是极薄的，同时，离子束的直进性保证注入的离子几乎是垂直地向内掺杂，横向扩散极其微小，这样就有可能使电路的线条更加纤细，线条间距进一。
材料表面改性技术提升材料性能与耐久性
材料表面改性技术提升材料性能与耐久性材料是现代社会中应用最广泛的基础性工程材料之一。
然而，很多材料在长期使用过程中，会出现磨损、腐蚀、疲劳等问题，导致性能下降和寿命缩短。
因此，通过表面改性技术对材料进行处理，以提升其性能和耐久性成为了一个重要的课题。
材料表面改性技术是一种通过改变材料表面的化学、物理或机械性质，来提升材料性能和耐久性的方法。
在实际应用中，有很多种表面改性技术可供选择，如真空沉积、等离子体改性、镀膜技术、离子注入等。
这些技术的共同目标是增强材料的硬度、耐磨性、抗腐蚀性、抗疲劳性、摩擦性能等。
首先，真空沉积是一种常用的表面改性技术。
真空沉积技术通过在真空环境下将所需材料沉积在材料表面上，形成一层覆盖材料的保护层或功能层。
这种技术可以有效地增加材料的硬度和耐磨性，提高材料的表面光洁度和抗氧化性能。
例如，在汽车部件制造领域，通过在零件表面沉积一层钛或铬等金属材料，可以使零件具有更好的抗磨损和抗腐蚀性能，提高零件的使用寿命。
其次，等离子体改性技术也被广泛应用于材料表面改性领域。
等离子体改性是指将材料表面暴露在等离子体环境中，通过等离子体的激发作用，使材料表面发生一系列物理和化学变化，从而改善材料的性能。
例如，等离子体改性可以提高材料的表面粗糙度和附着力，增加材料的抗腐蚀性和疲劳寿命。
此外，等离子体改性还可以用于表面涂层，形成一层具有特定功能的保护层，例如防水、防尘、防紫外线等。
再次，镀膜技术是材料表面改性的常用方法之一。
镀膜技术通过在材料表面形成一层薄膜，提供材料表面的保护和功能。
这种方式可以改善材料的表面性质，如抗腐蚀性、抗磨损性、抗氧化性等，并确保材料在恶劣环境下的长期使用性能。
例如，在航空航天领域，常常利用镀膜技术为飞机表面涂覆一层特殊的涂层，提高其抗腐蚀性能和风阻性能，提高飞机的使用寿命和燃油效率。
最后，离子注入技术也是一种常见的材料表面改性方法。
离子注入技术通过将离子注入到材料表面，改变材料的表面结构和性质。
离子束表面改性技术
通过建立和完善离子束表面改性的基础理论，结合模拟计算，为改性 技术的优化提供理论支持。
对实际应用的建议
推广离子束表面改性技术在航空航天领域的应用
由于航空航天领域对材料性能要求极高，离子束表面改性技术有望提 高材料的耐腐蚀、耐磨和抗疲劳性能。
促进在能源和环境领域的应用
利用离子束表面改性技术改善能源材料（如电池电极材料）和环保材 料（如光催化材料）的性能，提高能源利用效率和环保效果。
局限性
设备成本高
离子束表面改性设备昂贵，运行和维护成本 较高。
对操作人员技能要求高
离子束处理需要专业的操作人员，对技能和 经验的要求较高。
处理效率低
相对于传统表面处理技术，离子束处理的效 率较低，处理时间较长。
对环境条件敏感
离子束处理过程中，环境因素如温度、湿度 等可能对处理效果产生影响。
未来发展方向
拓展在医疗器械和生物材料领域的应用
通过离子束表面改性技术改善医疗器械和生物材料的生物相容性和功 能，推动医疗科技的发展。
加强技术标准和规范制定
为了推动离子束表面改性技术的广泛应用，需要制定和完善相关技术 标准和规范，确保技术的可靠性和安全性。
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深入研究离子束与材料表面的相互作用机制
离子束表面改性技术的核心在于离子束与材料表面的相互作用，进一 步研究这一机制有助于优化改性效果。
发展新型离子源和加速器技术
提高离子束的能量、束流密度和稳定性，以实现更高效、更广泛的表 面改性应用。
探索与其他表面技术的结合
将离子束表面改性技术与物理气相沉积、化学气相沉积等其他表面技 术结合，以获得更优异的表面性能。
金属材料表面改性的新技术和应用
金属材料表面改性的新技术和应用金属材料是各类工业产品的重要组成部分，其表面性能对于产品质量和使用寿命有着至关重要的影响。
为了提高金属材料的表面性能，人们不断研究和开发各种表面改性技术，其中不乏一些新颖而高效的方法。
一、等离子体表面改性技术等离子体表面改性技术是应用等离子体在金属表面产生化学反应、氮化、硬化、涂层等改性处理的技术。
通过等离子体的离子轰击和离子注入，使金属表面产生化学反应、形成氮化层，改善金属表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度等性能。
改性后的金属表面能够适应各种工况的使用要求，提高工件使用寿命。
二、激光表面改性技术激光表面改性技术是应用激光束在金属表面进行加工、熔覆、热喷涂等表面改性的技术。
在激光束的照射下，金属表面形成一定深度的溶液区和高温熔融层，通过液相扩散和凝固形成新的组织和相结构，使金属表面性能得到变化和提高。
激光表面改性技术具有加工速度快、成本低、适用范围广等优点，可以应用于各种金属、合金、复合材料的表面加工和改性。
三、离子注入表面改性技术离子注入表面改性技术是利用离子轰击技术将离子注入金属表面达到表面涂层、氮化、硬化等目的的技术。
离子注入会改变金属表面的结构和化学成分，产生一定的亚表面致密层，使金属表面的硬度、耐腐蚀性、疲劳寿命和摩擦系数等性能得到提高。
离子注入表面改性技术具有操作简单、效果明显、耐磨性好等特点，适用于各种金属、合金、陶瓷、复合材料等的表面改性。
四、金属氧化膜表面改性技术金属氧化膜表面改性技术是利用复杂氧化物薄膜在金属表面形成后进行化学或物理处理，达到改善金属表面性能的目的。
金属氧化膜层具有优异的机械、化学和光学性能，可以应用于涂层、纳米加工、生物医学等领域。
通过化学溶解、阳极氧化、热处理、UV光照、激光加工等技术对金属氧化膜进行改性处理，可以得到不同功能的金属表面涂层或化学成分。
以上仅仅是几种表面改性技术，实际上还有许多新型的表面改性技术正在不断探索和研究中。
离子注入技术
离子注入技术北京师范大学低能核物理研究所林文廉“我们在广泛而深入地研调国际离子束材料表面改性发展动向的基础上，根据我们所的技术优势，敏锐地捕捉到当时国际上还刚刚问世的MEVV A源这一新技术，提出了把它应用于强流金属离子注入材料表面改性的发展方向。
因为MEVV A源的发明者布朗博士发明MEVV A源的本意是用于核物理研究，因此我们提出这一设想是一次技术创新。
”MEVV A源离子注入材料表面改性是上世纪80年代后期在国际上发展起来的一项材料表面工程高技术，也是我们所承担的一项863高技术项目。
它包括以下2个密切相关的部分：（1）MEVV A源离子注入机的研制；（2）MEVV A源离子注入材料表面改性及其实际应用。
为了解读这项高技术，我们先从离子注入讲起。
什么是离子注入？我们设想在真空中有一束离子束射向一块固体材料时会发生哪些现象呢？离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中，这一现象就叫做离子注入。
离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。
其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。
此项高新技术由于其独特而突出的优点，已经在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。
作为一种材料表面工程技术，离子注入技术具有以下一些其它常规表面处理技术难以达到的独特优点：（1）它是一种纯净的无公害的表面处理技术；（2）无需热激活，无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；（3）离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学相互作用而形成的一个新表面层，它与基体之间不存在剥落问题；（4）离子注入后无需再进行机械加工和热处理。
离子注入技术
高，硬度也应该越高；但当剂量高到一定程度导致晶格的损伤
很大以致出现非晶相，则会出现一定的软化。另一方面则是注 入温度的影响，在离子注入的过程中，高速离子具有的动能在 注入基体后将转化为热能，使样品温度升高，随着束流密度的 增大，靶温升高，使得注入所得的亚稳态结构(如过饱和固溶 体和非晶态)转变成稳定状态，即可以看作进行了退火处理， 从而使注入而硬化的表面层发生软化。
中研究其对大肠杆菌的抗菌效果，结果表明注入Ag、 Zn离子的样品抗菌效果明显
抗大肠杆菌效果图
表 4 样品对细菌的抗菌结果
注入Ag、Zn离子的样品能够去除85%以上的大肠杆菌
谢谢！！
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（1）显微硬度测试
图6 不同离子注入条件下样品的显微硬度值
随着离子注入剂量的增加，显微硬度呈先增大后减小 的趋势。
分析原因
位错强化、间隙固溶强化、晶粒细化导致的晶界强化、沉淀强 化和析出强化。这些机制都使得离子注入表面硬度显著提高， 加之离子轰击造成的表面压应力也有冷作硬化作用，且剂量越
证注入层与基体得匹配。
3) 真空处理技术，工件无变形、无氧化，尺寸精度高，表 面状态好。
缺
点
1) 注入层薄。 2) 离子直线行进不能进行复杂形状的处理。 3) 处理尺寸受到限制。 4) 设备昂贵。
三、Ti离子注入工模具钢表面改性研究
天津大学，武志玮将Ti离子注入工模具钢，研究其对基体表面 物理化学性能的影响
（2）抗磨损性能测试
比 磨 损 率
图7 不同离子注入条件下样品的比磨损率
随着离子注入量的增加，抗磨擦性能呈上升的趋势
磨痕电镜图
8 8
（3）耐腐蚀性能测试
3 3
注入Ti离子后样品的腐蚀电位升高，腐蚀电流密度降低， 抗腐蚀性能增强。
离子注入技术在材料表面改性中的应用探究
离子注入技术在材料表面改性中的应用探究离子注入技术是一种利用离子束对材料表面进行改性的方法。
它可以改善材料表面的物理和化学性质，提高材料的性能和耐用度。
离子注入技术的应用范围非常广泛，包括半导体器件、微电子学、纳米材料制备、涂层、航空航天等领域。
随着科技的不断发展和工业的不断进步，离子注入技术的应用前景也越来越广阔。
离子注入技术的原理和方法离子注入技术是指将高速带电离子束注入到材料的表面，将离子能量转化为物理、化学和电学强制场效应，从而改变材料表面的性质。
离子注入的离子束包含正、负离子和中性粒子，其主要能量范围为数keV到数MeV。
离子注入技术的方法主要有两种：一种是静电离子注入技术，它是利用电场加速离子到高能量，然后引导离子轰击材料表面产生物理、化学和电学改变；另一种是多项式离子注入技术，它是在多项式静电场中对离子进行加速和聚焦，使离子束密度达到高值，然后将离子束注入材料的表面、界面和体。
离子注入技术的应用离子注入技术的应用非常广泛，主要应用于材料表面改性、半导体器件加工、纳米材料制备、涂层和膜的制备、生物医学和航空航天等领域。
材料表面改性是离子注入技术最重要的应用领域之一。
通过离子注入技术，可以增加材料表面的硬度、耐磨性、抗化学侵蚀性、耐高温性等性能，并且能够对表面进行微观结构的改变，以实现材料表面的特殊用途。
例如，将硅片表面进行氮离子注入，可以大大提高硅片的耐蚀性和耐磨性，使其适合作为半导体器件的基材；将钢铁表面进行碳离子注入，可以提高其硬度和耐磨性，从而使之适用于高速机械工作加工过程中。
离子注入技术还可以应用于半导体器件加工中。
通过离子注入将材料表面进行掺杂，可以改变其导电性质，增加材料与器件之间的结合强度和接触性能，从而提高电子器件的性能和可靠性。
例如，通过对电子器件的掺杂制造出了各种不同特性的p-n结、场效应晶体管等器件。
纳米材料是目前研究的热点之一。
离子注入技术可以用来制备高质量、高稳定性的纳米材料。
离子束在材料表面处理中的应用
离子束在材料表面处理中的应用离子束技术是一种高纯度、高能量的表面处理技术，可以通过高速离子注入改变表面物理和化学性质。
离子束广泛用于材料表面处理，如表面改性、薄膜制备、纳米材料制备等。
本文将从离子束处理的原理、应用、优点和限制等角度进行阐述。
离子束处理的原理离子束处理是通过将离子注入固体表面，改变表面的物理和化学性质，从而达到特定的表面处理效果。
离子源将离子加速到高速，通过电磁场控制离子束的流向和能量分布，使离子束能够精确地定位和加工。
离子束在表面处理中的应用离子束处理技术在材料表面处理中具有广泛的应用。
主要包括以下方面。
1. 表面改性通过离子束处理可以改变材料表面的物理、化学性质，包括表面形貌、化学成分、晶体结构等。
离子束处理可以增加表面的粗糙度、改变表面形貌，从而增强表面的吸附能力和润湿性。
通过改变表面的化学成分，离子束处理可以增强化学反应的活性或抑制化学反应的发生。
离子束处理可以改变材料的晶体结构，例如在多晶硅上实现单晶硅的生长，从而提高硅片的电子器件性能。
2. 薄膜制备离子束沉积技术可以在固体表面制备各种材料的薄膜。
薄膜制备技术是材料科学和工程领域的热点之一，离子束沉积技术具有优异的薄膜制备能力和良好的薄膜质量，可以应用于集成电路、光学薄膜、金属涂层等领域。
3. 纳米材料制备离子束处理可以用于纳米材料的制备，例如碳纳米管、纳米线、纳米粒子等。
通过离子束诱导生长，可以获得高质量的纳米材料，并且可以精确定位纳米材料的生长。
离子束处理的优点离子束处理在表面处理中具有许多优点。
1. 离子束处理可以精确地加工表面，实现微米、纳米级别的处理。
2. 离子束处理可以轻松地控制离子的种类、能量和注入剂量，从而实现高度定制化的表面处理。
3. 离子束处理的加工速度较快，一般只需要几十分钟至数小时即可完成。
4. 离子束处理对材料的损伤相对较小，不会影响材料的基本结构和性能。
离子束处理的限制离子束处理也存在一些限制。
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? 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
? 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
2016/3/28
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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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
4.1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。
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，
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/? 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。
? 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
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。
2016/3/28
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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。
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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。
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，获得 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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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
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。