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高能离子束与物质相互作用的微观机理研究
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  • 公布年份:
    2016
  • 中图分类:
    O572.24
  • 关键词:
  • 成果简介:
    近年来,载能粒子束特别是特殊离子束与物质相互作用的研究得到快速发展。与传统的离子束相比,特殊离子束主要包括高能高电荷态重离子(束)、离子微束或聚焦束(FIB)、以及强流离子束等,离子能量可以从keV到GeV以上。特殊离子束的应用和以微纳米材料为代表的复杂物质体系的引入,使得研究离子束与物质相互作用过程的"炮弹、靶子"都发生了很大的变化,前所未见的新现象、新效应和新用途不断涌现。这不仅为描述离子束与物质相互作用过程的传统理论带来了新的挑战,而且预示着,对离子束与复杂物质体系相互作用深层次规律的认知和重要科学问题的解决,有可能引起在能源、信息、材料、宇航等科学和技术发展的前沿领域取得重大突破。研究目的与意义:揭示极端条件下载能离子束与物质的微观过程和效应产生的机理,提出新的学术思想和理论;探索离子种类、能量、束流强度、物质组成和结构等因素对作用过程和效应产生影响的基本原理与控制方法,提供离子束技术应用的新原理、新方法,促进离子束技术以及相关产业的发展。建立载能离子束与物质的相互作用相关物理过程的科学理论和描述方法,使中国离子束与物质相互作用理论研究整体上进入国际先进行列,为未来先进离子束技术的发展提供基础理论支撑,满足国家可持续发展战略需求;提供制备新材料的新原理、新方法,促进材料结构和性能的离子束精确调控技术的开发、应用和产业化,进一步缩小与发达国家的差距,满足材料科学发展以及国家在信息、能源和国防建设等领域对高技术的需求。主要论点和论据:通过系统深入的实验研究,建立离子束与不同物质体系相互作用的微观模型,探索物质的结构效应尺度效应、集体效应对离子束电荷态、能量沉积及靶物质激发和电离过程的影响,开发出离子束在不同物质体系中能量沉积及输运过程的模拟程序。完成离子辐照实验终端以及在线实验测量系统等实验条件的改进,并开始用于实验研究;利用HIRFL-CSR等提供的离子束流及在线实验系统,在辐照效应和离子声学实验研究方面获得研究结果;开始高能高电荷态重离子、团簇离子和脉冲重离子束流辐照凝聚态物质实验研究和理论与计算机模拟研究工作。初步建立重离子与微纳尺度物质原子的作用中与靶原子核发生反应的微观输运理论模型;用从头计算及分子动力学对微纳尺度物质缺陷的动力学进行模拟。完善了全γ辐射测量技术;对碳纳米管及其他纳米结构的辐射效应及太赫兹产生的技术进行了实验研究。系统地深入了解在强离子辐照下材料,特别是新一代核能系统中结构和功能材料损伤的微观机理,探索原子尺度上的缺陷行为以及从原子、介观到宏观尺度的离子辐照损伤演化过程及其多尺度计算机模拟,为设计在裂变/聚变堆等极端环境下应用的抗强辐射材料提供参考和依据。以准一维碳纳米管、半导体硅纳米线和固体纳米薄膜为对象,开展离子束诱导微纳物质相变机制研究。揭示多种离子束在新型半导体新材料超低剂量SIMOX SOI纳米结构材料与应变材料合成、离子注入界面改性等方面的离子束调控的基本原理,建立利用离子束在纳米尺度内对材料结构进行精确调控的技术;揭示不同剂量离子注入在半导体材料中形成纳米尺度新结构、新材料的物理机制以及离子束改性后材料界面的缺陷性质。创见与创新:揭示了极端条件下离子束与物质相互作用的微观机制,建立了描述相关过程的理论和方法,使人们明晰如何实现离子束技术应用的新原理、新方法;在实验和理论两个方面均取得标志性的成果,形成了世界一流水平的研究团队,使中国离子束与物质相互作用研究整体上进入国际先进行列,为中国新型材料技术发展、信息和新能源科学等国民经济和国家安全领域的重大需求奠定了必要的实验基础,提供了必要的理论依据和实验证据。社会经济效应,存在的问题:利用载能离子束制备出大面积、均匀的纳米氧化物过渡层,通过外加电场精准地控制氧离子在纳米过渡层中的迁移,研制出单层互补型阻变存储器和自整流型阻变存储器,这两类器件均结构和制备工艺简单,一步完成阻变激活区的制备,有望解决阻变存储器集成应用的问题。开发出新型层转移技术-Simsplit技术,并成功地制得了SOI材料,表面粗糙度为1.55 nm,与传统Smart cut技术相比(>10nm),大幅度改善了剥离薄硅层的表面粗糙度,打破了国外的技术垄断,部分技术已经得到应用并产生了显著的经济效益。
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