等離子體離子注入

1987年,康拉德和卡斯塔發明了一種將等離子體作為介質直接在材料表面注入離子的技術。這項技術是基于以下現象提出的,浸沒于等離子體中的物質周圍被一個離子鞘層所環繞,這個鞘層相對于等離子體電勢來說是一個負偏壓。在平衡條件下,離子鞘層將離子通量輸送給電極,其速率由以離子聲速從預鞘層進入鞘層的離子流來決定。這類技術的發明幾乎在同一時期出現在澳大利亞。被等離子體浸沒離子注入、等離子源離子注入或等離子體基離子注入。

下圖為等離子體注入過程中的基本時間尺度的示意圖。當把負脈沖電壓加在浸沒于均勻等離子體中的一個電極上時,電子將被排斥而遠離電極。此過程發生的時間周期是在一個電子等離子體周期內,是等離子體振蕩頻率的倒數。對于低密度等離子體,電子等離子體周期的典型值為納秒級。在此期間,離子基本上不移動,隨著電極附近的電子被排斥逐漸遠離,在電極附近就會形成一個接近均勻和穩定狀態的離子空間電荷區域,這就是所謂的離子陣鞘層。其電勢通常呈拋物線分布不同種類的離子鞘層矩陣模型可以給出更詳細的電勢分布變化。

等離子體注入

緊接著,經過一個較慢的、微秒量級的離子等離子體時間,離子被加速,并開始向電極移動。在此期間,離子獲得的最大能量是鞘層電壓降。然后,它們穿透并進入由穿透深度決定的電極表面內,其中,穿透深度是所加電壓和材料密度的函數。隨著離子的減少,鞘層邊緣便以由離子聲速決定的速率逐漸延伸到等離子體內,最終形成了一個具有一定厚度的平衡鞘層,此厚度由鞘層內損耗的離子和進入鞘層內的離子所建立的平衡決定。

高能離子注入固體后會發生一系列變化。高能離子在很短的時間內就可以減速到固態結合能的水平,而離子與固態原子相互作用的產物也會在非常短的時間內沉積下來。在這些階段內形成的輻射損傷得到了一定程度的退火。次表層原子之間的內部混合也發生在這些階段。當基板溫度較高時(有時是由注入過程本身產生的),被注入的原子和輻射損傷還會發生熱擴散,這些減速過程發生在幾百秒的時間內。經過這些變化,次表層區域的化學組成結構發生了變化,并形成了新的物化相可能是均一的固溶相,也可能是沉積物。應當指出,所有這些現象都會受輻射損傷的影響。

當高能粒子注入材料表面時,會發生濺射,使得被注入表面受到侵蝕。隨著能量密度的增加,表面侵蝕將滲透到原來被注入的區域。當注入和材料表面的侵蝕達到平衡后,材料表面的形貌就確立了。

從技術上來講,等離子體離子注入比基于加速器的離子注入簡單得多,原因如下:

(1)不需要束流光柵和進行目標靶的控制。

(2)不需要對目標靶進行掩模。

(3)能夠在離子源硬件和控制設備上維持接近地電勢。

(4)無論是連續還是分批處理,效率都非常高。

(5)能夠處理較大、較重或外形復雜的物體。

離子注入為研究不同的粒子以及在摩擦和熱處理過程中對材料特性和材料結構的再構造影響提供了一種靈活并且可控的方法,這種方法能夠為任何材料基底提供所需要的注入粒子。經過離子注入后,一些金屬由于其表面形成了堅硬的保護層,而呈現出增強的抗磨性和抗氧化性。這些保護層阻止了材料的進一步的氧化,從而保護了材料內部。與電鍍技術相比,離子注入可以大大延長機械零件和工具的壽命。

離子注入的另一個應用是對聚合物進行改性。在大多數聚合物里,注入離子的能量較高,使得表面生成了一個高導電層,而在表層下部則是低導電層。另外,大多數經過離子注入后的聚合物,呈現出阻溶性和增強的機械硬度。利用這些特性,再加上導電的溫度敏感性,可以將注入后的聚合物應用在其他方面,如可以做成應變計‘溫度敏感包裝和體積非常小的電阻等。

PII過程可能非常適合用于對金屬和陶瓷元件進行表面處理,實現下列表面性能的改善:耐磨性、抗氧化性、抗腐蝕性、抗疲勞性、改善摩擦力或者潤濕性、增加硬度、提高半導體的導電性(金屬化)。

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