第四节离子注入表面改性技术-解析.ppt

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 2016/3/28 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 ? 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 4.1离子注入的特点 2016/3/28 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。 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 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 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。 2016/3/28 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 2016/3/28 4.1离子注入的特点 LSS理论——对在非晶靶中注入离子的射程分布的研究 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。 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。 4.2 离子注入原理 2016/3/28 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。 4.2 离子注入原理 2016/3/28 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。 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，损失给靶原子核的能量。 核碰撞 碰撞参数p≤r1+r2 2016/3/28 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。 电子阻止本领 电子阻止本领和注入离子的能量的平方根成正比。 离子速度 2016/3/28 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。 4.2 离子注入原理 2016/3/28 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.