粒子与物质相互作用-第一章_2011
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能量损失的方式与程度不同，作用效果不同。
70
第一章 引言
71
第一章 引言
radius (nm)
radius (nm)
8
8
SAXS
Kluth et al. [1]
Infra-Red (present experiment)
present result
6
6
4
4
nuclear+electronic
SRIM +
32
第一章 引言
Proton Irradiation Facility at U of Michigan
33
第一章 引言
34
第一章 引言
35
MeV He irrad.
第一章 引言
High dpa irrad.
2*6 MV Tandem
H/He/HI co-irrad. Chamber
4.5 MV Van de Graaff
在向物质世界更深层次进军的同时，核物理学家同其它领域的 科学家们结合起来，利用核物理的知识及加速器这一工具，向原子分 子物理、固体物理以及材料、能源、化学、生物学和医学等方面渗透 与发展。这不仅大大促进了这些学科的发展和进化，也形成了一些生 命力很强的交叉学科。
3
第一章 引言
例如：
材料科学：半导体注入及光刻、载能束（离子束、电子束、X射线/同步辐射、 中子源）材料分析、金属（陶瓷、高聚物等）材料改性、核材料辐照损伤、纳 米材料及结构制备。 航天：单离子翻转、位移电流、电荷积累。 化学：离子/电子/光子束高分子接枝、电子/光子束辐照（固化、消毒）等。 环境：电子束辐照脱硫脱硝等。环境样品检测（AMS、PIXE）。 农业：载能束诱变育种等。 医学：诊断与检测；常规放疗及质子、重离子治癌等。微量元素分析。 地学：测年（AMS、裂变径迹）。 考古：测年（AMS）。 ……
Sigmund
2
2
electronic
nuclear
10-1
100
101
102
Au energy (MeV)
10-2 10-1
100
101
Au energy (MeV)
72
第一章 引言
相关的国际会议：
• International Conference on Atomic Collisions in Solids (ICACS) • International Conference on the Application of Accelerators in Research and Industry
第一章 引言
9
第一章 引言
10
第一章 引言
浅结离子注入
注入离子的能量在keV量级或更低！ 11
第一章 引言
10000
by traditional methods by defect engineering
Sheet Resistance (Ohm/sq)
1000
65nm
70nm
80nm
90nm
(CAARI) • International Conference on Ion Beam Modification of Materials (IBMM) • International Conference on Surface Modification of Materials by Ion Beams（SMMIB） • International Conference on Ion Implantation Technology（IIT） • International Conference on Swift Heavy Ions in Matter (SHIM) • International Conference on Radiation Effects in Insulators (REI) • International Conference on Ionising Radiations and Polymers（IRaP） • International Conference on Nuclear Microprobe Technology and Applications (ICNMTA) • International Conference on Ion Beam Analysis（IBA） • International Conference on Nuclear Materials
62
第一章 引言
第五章 多次散射和能量歧离 第一节 多次散射的统计规律性 第二节 能量歧离的Bohr模型
第六章 离子射程、射程分布及沟道效应 第一节 射程的定义 第二节 射程分布与歧离 第三节 射程分布计算的 Monte-Carlo方法（TRIM） 第四节 沟道效应
第七章 荷能离子产生的损伤与溅射 第一节 离子辐照损伤 第二节 溅射
Track Etching single
Nano-
Protein-
DNA-
E Energy Ion channel
wire/electrode separation sequencing generation mimicking
18
第一章 引言
19
第一章 引言
20
第一章 引言
Nano Lett., Vol. 6, No. 11, 2006
第十一章 中子与物质相互作用 第一节、中子相互作用的基本特征 第二节、中子辐照损伤
64
第一章 引言
离子与固体相互作用是讨论一束质量为M1、电荷为Z1e的带 电粒子，以速度v打到一块含有原子序数为Z2和质量为M2的固态 物质上所发生的相互作用现象和物理过程。入射的带电粒子主要 指质子和质量不等的各种离子，不包括中性粒子（如中子、中性 介子和中微子等）。但是，有些中性粒子（如中子）同物质相互 作用所引起的固体材料的某些问题可以用其后续产生的荷能离子 的观点来研究或用离子束的方法来分析，如反应堆材料因中子辐 照产生的辐照损伤。还有一些带电粒子的问题不是我们这门课要 讨论的，如等离子体的问题。至于入射粒子与靶原子核发生强相 互作用的过程，我们除了对某些核反应过程所得到的结果加以研 究外，不过多讨论。
第一章 引言
nature materials | VOL 2 | AUGUST
2003 |
22
第一章 引言
Nano Lett., Vol. 6, No. 12, 2718(2006)
24
第一章 引言
Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 17, 2003
25
第一章 引言
4
第一章 引言
5
第一章 引言
6
第一章 引言
7
第一章 引言
其中将有20种注入流程，其能量 ~5 keV–1MeV， 剂量从1011到1015/cm2，离子种类为B、P、As。
CMOS制备过程中有近20种注入流程，其能量 ~5 keV– 1MeV，剂量从1011到1015/cm2，离子种类为B、P、As。8
多生长点突变体
Radiation Research, 2008
Normal
多 花 器 官 突 变 体
Multi-SAM
44
第一章 引言
Low LET radiation produces isotropic damage to organized targets.
High LET radiation produces correlated damage to organized targets.
13
第一章 引言
14
第一章 引言
15
第一章 引言
17
Aluminum Oxide Track Membrane
第一章 引言
Nano- Nanowire particle
NanoComponents
Deposition Ion Implantation
Ion/e Beam
multi
Nanopore
第八章 离子束材料分析* 第一节 背散射分析技术 第二节 质子X荧光分析 第三节 核反应分析
63
第一章 引言
第九章 电子束与物质相互作用 第一节 引言 第二节 电子、正电子的相互租用 第三节 其他荷能电子的辐射过程
第十章 高能光子与物质相互作用 一、相干（Rayleigh）散射 二、光电效应 三、康普顿散射 四、电子对效应 五、高能光子的吸收
离子束：大量在时间和空间上、随机无规地作用于靶。 固体：大量原子或分子。如果是非晶靶，则原子的空间位 置也是随机、无规的。
因此，这类相互作用的最主要特点是－－每一次相互 作用（粒子与靶原子的碰撞）的时间，特别是空间位置是 随机、无规的；但是，大量这种随机、无规的事件却服从 一定的统计规律。
离子束与物质相互作用的核心问题--能量损失与传递
45
第一章 引言
离子束材料分析-PIXE
46
第一章 引言
47
第一章 引言
Ion Beam Deposition (~10 eV)
Ion Implantation (~100 keV)
Ion Beam Analysis (~1 MeV)
48
第一章 引言
49
Top Down
第一章
引言
Ions：Al, As, Au, Be, Bi, Cs, Cu, Ga, Ge, Er, Fe, In, Li, Ni, Pb, Pd, Pr, Pt, U, Zn
65
第一章 引言
我们所研究的固态靶物质可以是由单元素原子组 成的，也可以是多元素原子，甚至可以是由分子、高 分子等组成的。但为了讨论方便，在大多数理论处理 过程中，仅限于一种元素构成的物质。有时在某些特 定条件下，把固体中的原子当作气体原子来处理，这 样取得的近似结果，同实验比较后再加以修正。
66
36
MeV H irrad.
2*1.7 MV Tandem
Hydrodynamic Target Response
38
第一章 引言
39
第一章 引言
德国海德堡大学重离子束治癌装置
40
第一章 引言
41
第一章 引言
42
第一章 引言
PNAS, 2008 Vol. 105 No. 34
43
第一章 引言
粒子束与物质相互作用
北京大学物理学院
王宇钢
第一章 引言
载能离子
原子物理与凝聚态材料物理
天然 人工
载能电子 高能光子
原子 固体 生命体
载能中子
核物理与核技术
2
第一章 引言
带电粒子同物质相互的研究是近代物理学一个非常重要的组成部 分，也是后者的基础。近代物理学上许多重大的成就，都是从研究带 电粒子的行为获得的。如在二十世纪二十年代初，Rutherford用α（ 4He）粒子对金属箔片的散射实验证实了原子核的存在，揭开了原子 世界的奥秘。随着带电粒子加速器的建成，可以人工地产生带电粒子 束，人们研究其与物质相互作用的手段就更加有力了。
Jiali Li, et al. / Nature,2001,Vol. 412(12)
Z. Siwy, et al. Phys. Rev. Lett, 2002 Mara A, et al. Nano Lett, 2004
A. J. STORM, et al./Nature Materials,221003, Vol. 2
第一章 引言
Z2, M2
Z1,M1,v0(E0)
67
第一章
electrons
Sputtering SIMS
Z1,M1,v0(E0)
X rays PIXE Z2, M2 ERD Z1, M1 RBS
引言
Z2, M2
Displacement defects
Channeling Nuclear Reaction NRA
58
第一章
引言
中国散裂中子源
59
第一章 引言
60
第一章 引言
载能离子 载能电子 高能光子
掺杂
原子 固体 生命体
原子激发、 电离、移位
或
化学键断裂
缺陷
载能中子
损伤
损伤
61
第一章 引言
《粒子束与物质相互作用》课程目录
第一章 引言 第二章 原子及原子间的势
第一节 原子模型与原子势 第二节 原子间的相互作用势 第三章 核阻止截面 第一节 经典的碰撞理论 第二节 核阻止截面 第四章 电子阻止截面 第一节 简单理论 第二节 Bethe-Bloch公式 第三节 自由电子气中的电子阻止 第四节 离子的电荷态及电荷屏蔽 第五节 Ziegler的电子阻止本领
Up 50Bottom
第一章 引言
51
第一章 引言
52
第一章 引言
53
第一章 引言
54
第一章 引言 同步辐射生物平台的建立及应用于 生物大分子晶体结构的方法研究 同步辐射高压高温实验技术及地幔 地核重要矿物的物性研究
同步辐射纳米研究平台建设
55
第一章 引言
56
第一章 引言
57
第一章 引言
Ion Range
68
第一章 引言
入射离子（Z1, M1, E0）
能量
固体靶（Z2, M2）
沟 道 效 应
背 散 射
前 冲 散 射
能 量 损 失
射 程 及 分 布
原 子 移 位
溅 射
发 射 电 子
发 射
X 射 线
பைடு நூலகம்
核 反 应
能量、电荷、位置变化
结构、组分、状态变化
69
第一章 引言
离子束与物质相互作用的特点
26
第一章 引言
27
第一章 引言
从核反应形式上，核能系统分为：裂变堆（目前 核电站）、聚变堆（ITER）以及聚变-裂变混合堆
28
第一章 引言
29
第一章 引言
Six 4th Generation Reactors
Fusion
30
第一章 引言
With now available reactors it needs more than several years 3t1o get required dpa, but without demanded ratio of He/H appm/dpa！
100nm
100 0
10
20
30
40
50
60
70
80
Junction Depth Xj (nm)
12
第一章 引言
制备SOI的一种方法是所谓的 Smart-Cut，它是先对两片 硅片氧化，其中一片注入高剂量的质子。然后将两片硅的氧化 面合起来，进行退火，如此就可以将两层硅从质子辐照的区域 分开，得到高质量的确定厚度的SOI。
70
第一章 引言
71
第一章 引言
radius (nm)
radius (nm)
8
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SAXS
Kluth et al. [1]
Infra-Red (present experiment)
present result
6
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4
4
nuclear+electronic
SRIM +
32
第一章 引言
Proton Irradiation Facility at U of Michigan
33
第一章 引言
34
第一章 引言
35
MeV He irrad.
第一章 引言
High dpa irrad.
2*6 MV Tandem
H/He/HI co-irrad. Chamber
4.5 MV Van de Graaff
在向物质世界更深层次进军的同时，核物理学家同其它领域的 科学家们结合起来，利用核物理的知识及加速器这一工具，向原子分 子物理、固体物理以及材料、能源、化学、生物学和医学等方面渗透 与发展。这不仅大大促进了这些学科的发展和进化，也形成了一些生 命力很强的交叉学科。
3
第一章 引言
例如：
材料科学：半导体注入及光刻、载能束（离子束、电子束、X射线/同步辐射、 中子源）材料分析、金属（陶瓷、高聚物等）材料改性、核材料辐照损伤、纳 米材料及结构制备。 航天：单离子翻转、位移电流、电荷积累。 化学：离子/电子/光子束高分子接枝、电子/光子束辐照（固化、消毒）等。 环境：电子束辐照脱硫脱硝等。环境样品检测（AMS、PIXE）。 农业：载能束诱变育种等。 医学：诊断与检测；常规放疗及质子、重离子治癌等。微量元素分析。 地学：测年（AMS、裂变径迹）。 考古：测年（AMS）。 ……
Sigmund
2
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nuclear
10-1
100
101
102
Au energy (MeV)
10-2 10-1
100
101
Au energy (MeV)
72
第一章 引言
相关的国际会议：
• International Conference on Atomic Collisions in Solids (ICACS) • International Conference on the Application of Accelerators in Research and Industry
第一章 引言
9
第一章 引言
10
第一章 引言
浅结离子注入
注入离子的能量在keV量级或更低！ 11
第一章 引言
10000
by traditional methods by defect engineering
Sheet Resistance (Ohm/sq)
1000
65nm
70nm
80nm
90nm
(CAARI) • International Conference on Ion Beam Modification of Materials (IBMM) • International Conference on Surface Modification of Materials by Ion Beams（SMMIB） • International Conference on Ion Implantation Technology（IIT） • International Conference on Swift Heavy Ions in Matter (SHIM) • International Conference on Radiation Effects in Insulators (REI) • International Conference on Ionising Radiations and Polymers（IRaP） • International Conference on Nuclear Microprobe Technology and Applications (ICNMTA) • International Conference on Ion Beam Analysis（IBA） • International Conference on Nuclear Materials
62
第一章 引言
第五章 多次散射和能量歧离 第一节 多次散射的统计规律性 第二节 能量歧离的Bohr模型
第六章 离子射程、射程分布及沟道效应 第一节 射程的定义 第二节 射程分布与歧离 第三节 射程分布计算的 Monte-Carlo方法（TRIM） 第四节 沟道效应
第七章 荷能离子产生的损伤与溅射 第一节 离子辐照损伤 第二节 溅射
Track Etching single
Nano-
Protein-
DNA-
E Energy Ion channel
wire/electrode separation sequencing generation mimicking
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第一章 引言
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第一章 引言
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第一章 引言
Nano Lett., Vol. 6, No. 11, 2006
第十一章 中子与物质相互作用 第一节、中子相互作用的基本特征 第二节、中子辐照损伤
64
第一章 引言
离子与固体相互作用是讨论一束质量为M1、电荷为Z1e的带 电粒子，以速度v打到一块含有原子序数为Z2和质量为M2的固态 物质上所发生的相互作用现象和物理过程。入射的带电粒子主要 指质子和质量不等的各种离子，不包括中性粒子（如中子、中性 介子和中微子等）。但是，有些中性粒子（如中子）同物质相互 作用所引起的固体材料的某些问题可以用其后续产生的荷能离子 的观点来研究或用离子束的方法来分析，如反应堆材料因中子辐 照产生的辐照损伤。还有一些带电粒子的问题不是我们这门课要 讨论的，如等离子体的问题。至于入射粒子与靶原子核发生强相 互作用的过程，我们除了对某些核反应过程所得到的结果加以研 究外，不过多讨论。
第一章 引言
nature materials | VOL 2 | AUGUST
2003 |
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第一章 引言
Nano Lett., Vol. 6, No. 12, 2718(2006)
24
第一章 引言
Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 17, 2003
25
第一章 引言
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第一章 引言
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第一章 引言
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第一章 引言
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第一章 引言
其中将有20种注入流程，其能量 ~5 keV–1MeV， 剂量从1011到1015/cm2，离子种类为B、P、As。
CMOS制备过程中有近20种注入流程，其能量 ~5 keV– 1MeV，剂量从1011到1015/cm2，离子种类为B、P、As。8
多生长点突变体
Radiation Research, 2008
Normal
多 花 器 官 突 变 体
Multi-SAM
44
第一章 引言
Low LET radiation produces isotropic damage to organized targets.
High LET radiation produces correlated damage to organized targets.
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第一章 引言
14
第一章 引言
15
第一章 引言
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Aluminum Oxide Track Membrane
第一章 引言
Nano- Nanowire particle
NanoComponents
Deposition Ion Implantation
Ion/e Beam
multi
Nanopore
第八章 离子束材料分析* 第一节 背散射分析技术 第二节 质子X荧光分析 第三节 核反应分析
63
第一章 引言
第九章 电子束与物质相互作用 第一节 引言 第二节 电子、正电子的相互租用 第三节 其他荷能电子的辐射过程
第十章 高能光子与物质相互作用 一、相干（Rayleigh）散射 二、光电效应 三、康普顿散射 四、电子对效应 五、高能光子的吸收
离子束：大量在时间和空间上、随机无规地作用于靶。 固体：大量原子或分子。如果是非晶靶，则原子的空间位 置也是随机、无规的。
因此，这类相互作用的最主要特点是－－每一次相互 作用（粒子与靶原子的碰撞）的时间，特别是空间位置是 随机、无规的；但是，大量这种随机、无规的事件却服从 一定的统计规律。
离子束与物质相互作用的核心问题--能量损失与传递
45
第一章 引言
离子束材料分析-PIXE
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第一章 引言
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第一章 引言
Ion Beam Deposition (~10 eV)
Ion Implantation (~100 keV)
Ion Beam Analysis (~1 MeV)
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第一章 引言
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Top Down
第一章
引言
Ions：Al, As, Au, Be, Bi, Cs, Cu, Ga, Ge, Er, Fe, In, Li, Ni, Pb, Pd, Pr, Pt, U, Zn
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第一章 引言
我们所研究的固态靶物质可以是由单元素原子组 成的，也可以是多元素原子，甚至可以是由分子、高 分子等组成的。但为了讨论方便，在大多数理论处理 过程中，仅限于一种元素构成的物质。有时在某些特 定条件下，把固体中的原子当作气体原子来处理，这 样取得的近似结果，同实验比较后再加以修正。
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MeV H irrad.
2*1.7 MV Tandem
Hydrodynamic Target Response
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第一章 引言
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第一章 引言
德国海德堡大学重离子束治癌装置
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第一章 引言
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第一章 引言
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第一章 引言
PNAS, 2008 Vol. 105 No. 34
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第一章 引言
粒子束与物质相互作用
北京大学物理学院
王宇钢
第一章 引言
载能离子
原子物理与凝聚态材料物理
天然 人工
载能电子 高能光子
原子 固体 生命体
载能中子
核物理与核技术
2
第一章 引言
带电粒子同物质相互的研究是近代物理学一个非常重要的组成部 分，也是后者的基础。近代物理学上许多重大的成就，都是从研究带 电粒子的行为获得的。如在二十世纪二十年代初，Rutherford用α（ 4He）粒子对金属箔片的散射实验证实了原子核的存在，揭开了原子 世界的奥秘。随着带电粒子加速器的建成，可以人工地产生带电粒子 束，人们研究其与物质相互作用的手段就更加有力了。
Jiali Li, et al. / Nature,2001,Vol. 412(12)
Z. Siwy, et al. Phys. Rev. Lett, 2002 Mara A, et al. Nano Lett, 2004
A. J. STORM, et al./Nature Materials,221003, Vol. 2
第一章 引言
Z2, M2
Z1,M1,v0(E0)
67
第一章
electrons
Sputtering SIMS
Z1,M1,v0(E0)
X rays PIXE Z2, M2 ERD Z1, M1 RBS
引言
Z2, M2
Displacement defects
Channeling Nuclear Reaction NRA
58
第一章
引言
中国散裂中子源
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第一章 引言
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第一章 引言
载能离子 载能电子 高能光子
掺杂
原子 固体 生命体
原子激发、 电离、移位
或
化学键断裂
缺陷
载能中子
损伤
损伤
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第一章 引言
《粒子束与物质相互作用》课程目录
第一章 引言 第二章 原子及原子间的势
第一节 原子模型与原子势 第二节 原子间的相互作用势 第三章 核阻止截面 第一节 经典的碰撞理论 第二节 核阻止截面 第四章 电子阻止截面 第一节 简单理论 第二节 Bethe-Bloch公式 第三节 自由电子气中的电子阻止 第四节 离子的电荷态及电荷屏蔽 第五节 Ziegler的电子阻止本领
Up 50Bottom
第一章 引言
51
第一章 引言
52
第一章 引言
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第一章 引言
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第一章 引言 同步辐射生物平台的建立及应用于 生物大分子晶体结构的方法研究 同步辐射高压高温实验技术及地幔 地核重要矿物的物性研究
同步辐射纳米研究平台建设
55
第一章 引言
56
第一章 引言
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第一章 引言
Ion Range
68
第一章 引言
入射离子（Z1, M1, E0）
能量
固体靶（Z2, M2）
沟 道 效 应
背 散 射
前 冲 散 射
能 量 损 失
射 程 及 分 布
原 子 移 位
溅 射
发 射 电 子
发 射
X 射 线
பைடு நூலகம்
核 反 应
能量、电荷、位置变化
结构、组分、状态变化
69
第一章 引言
离子束与物质相互作用的特点
26
第一章 引言
27
第一章 引言
从核反应形式上，核能系统分为：裂变堆（目前 核电站）、聚变堆（ITER）以及聚变-裂变混合堆
28
第一章 引言
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第一章 引言
Six 4th Generation Reactors
Fusion
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第一章 引言
With now available reactors it needs more than several years 3t1o get required dpa, but without demanded ratio of He/H appm/dpa！
100nm
100 0
10
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30
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50
60
70
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Junction Depth Xj (nm)
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第一章 引言
制备SOI的一种方法是所谓的 Smart-Cut，它是先对两片 硅片氧化，其中一片注入高剂量的质子。然后将两片硅的氧化 面合起来，进行退火，如此就可以将两层硅从质子辐照的区域 分开，得到高质量的确定厚度的SOI。