离子与固体相互作用——基本原理及应用

离子与固体相互作用涉及到离子与晶格原子的二体碰撞、离子在固体中的能量损伤（包括核能损和电子能损）、射程及其分布、沟道效应、辐照损伤、溅射物理、峰效应等基本概念和基础知识。它是核技术，特别是离子束应用的理论基础。目前国内外在核技术应用领域几大研究热点，如质子重离子放疗、核能材料与飞行器芯片的辐照损伤、聚焦离子束（FIB）制备纳米结构等，其理论基础均来自离子束与固体的相互作用。国内中科院及各大高校的相关学科专业都在开展这些方面的研究工作并培养这方面的研究生。本书分为八章详细阐述了上述内容，此外有五章内容以基础理论为依托，分别讲述了五项重要的离子束应用实例，以利于学生不仅能更好地掌握离子与固体相互作用的基本概念和基础知识，同时也同学们了解离子束广阔的应用。

[美]迈克尔·纳斯塔西(Michael Nastasi)【著】【美国】【现当代】————————————————————[美]迈克尔·纳斯塔西(Michael Nastasi)毕业于康奈尔大学，目前担任得克萨斯农工大学核能工程系主任，在材料科学领域做出重大贡献。曾获得美国核学会的杰出核材料科学家奖。他的研究重点包括材料的辐射损伤、机械性能和长期稳定性，尤其是在离子束材料改性和表征方面具有丰富的经验和成就。 [美]詹姆斯·W.迈耶(James W. Mayer)【著】【美国】【现当代】————————————————————[美]詹姆斯·W.迈耶(James W. Mayer)，1952年获得普渡大学物理学博士学位，1997年当选为高尔文科学与工程教授。1981年，他因为在半导体植入领域的研究而获得了材料研究学会的范希佩尔奖。他专长于半导体材料和离子束相互作用，他的研究工作极大地推动了材料科学，特别是半导体处理技术的发展。 [美]詹姆斯·K.希尔沃宁（James K. Hirvonen）【著】【美国】【现当代】————————————————————詹姆斯·K.希尔沃宁（James K. Hirvonen），工作于美国陆军研究实验室。他的研究主要集中在材料的表面和界面特性及其应用，涵盖了从纳米技术到宏观工程材料的广泛领域，特别是在极端环境下材料的性能和稳定性研究方面做出了显著贡献。他也涉足开发新的合金和陶瓷材料，用于核能系统和航空领域的应用中。 王晨旭【译】【中国】【现当代】————————————————————王晨旭，北京大学物理学院研究员/助理教授，博士生导师。2016年毕业于北京大学物理学院。2016至2020年，在美国斯坦福大学从事博士后研究。2020年10月，入职北京大学重离子物理研究所。主要的研究方向包括核能材料的辐照损伤效应；包埋材料的高压稳定性；辐照和高压等极端条件对材料的改性等。目前已发表SCI文章50余篇，包括3篇Nature Communications、1篇Applied Physics Reviews、1篇Science Advances、1篇National Science Review、5篇Acta Materialia等。曾获得美国陶瓷学会ECD全球青年科学家奖、北京大学优秀博士论文奖、国际高性能陶瓷大会最佳口头报告奖等。此外，担任Nano Letters, Acta Materialia等杂志审稿人。” 王宇钢【译】【中国】【现当代】————————————————————北京大学物理学院教授，副院长、北京大学学位委员会物理分会主席。

第1 章基本特征和概念. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 射程分布. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 晶格无序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4 原子密度和面密度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.5 能量和粒子. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.6 玻尔速度和半径. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 推荐阅读. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 第2 章原子间势. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2 原子之间的相互作用力. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 2.3 原子之间的短程和长程相互作用力. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4 原子间势模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 2.4.1 刚球势. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4.2 方阱势. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4.3 负幂势. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4.4 伦纳德–琼斯势. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5 固体中的原子间势. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.6 固体的物理性质. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.6.1 结合能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.6.2 弹性模量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.6.3 热力学性质. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.7 载能离子与原子的碰撞. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 2.8 TF 原子模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.9 TF 方程的解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.10 TF 屏蔽函数(近似解) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.11 原子间势. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.12 普适原子间势. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 推荐阅读. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 第3 章两体弹性碰撞动力学. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2 经典散射理论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35 3.3 弹性碰撞动力学. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.4 经典两体散射. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 3.5 有心力作用下的运动. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.5.1 角动量守恒. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.5.2 有心力作用下的能量守恒. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.5.3 角动量和碰撞参数. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.6 经典散射积分. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 3.7 最接近距离. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 推荐阅读. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 第4 章截面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53 4.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.2 角微分散射截面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.3 能量传递微分散射截面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 4.4 幂次律势和冲量近似. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 C.3 态密度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 推荐阅读. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 附录D TF 方程的推导. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 附录E 质心系和实验室系下的散射角. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389 推荐阅读. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 附录F 液相和固相中形成焓的米德马半经验模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .392 F.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 F.2 浓度相关的形成焓. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .394 F.2.1 两种过渡金属的合金. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395 F.2.2 两种非过渡金属的合金. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 F.2.3 两种多价非过渡金属和气相元素的合金. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 F.2.4 过渡金属与非过渡金属的合金. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 F.3 无限稀释溶液. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 F.4 无定形固溶体. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 推荐阅读. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.5 幂次律势的能量传递微分散射截面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.6 约化截面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.7 刚球势. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 推荐阅读. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 第5 章离子阻止. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2 能损过程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.3 核阻止. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.4 核阻止: 约化表示. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.5 ZBL 约化核阻止截面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.6 ZBL 散射方程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.7 电子阻止. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.7.1 运动离子的有效电荷. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.7.2 高能电子能损. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.7.3 低能电子能损. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 推荐阅读. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 第6 章离子射程与射程分布. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 6.1 射程的概念. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6.2 射程分布. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.3 计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105 6.3.1 射程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.3.2 射程近似. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.3.3 投影射程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 6.3.4 投影射程歧离. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.3.5 多原子靶. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.4 沟道. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116 6.4.1 一般原则. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6.4.2 最大射程Rmax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 推荐阅读. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 第7 章辐照损伤及峰. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 7.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122 7.2 辐照损伤与移位能量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 7.3 初级移位原子碰撞造成的移位. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127 7.4 PKA 损伤能量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 7.4.1 诺格特、罗宾森和托伦斯损伤能量模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133 7.5 离子辐照损伤. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 7.5.1 载能离子导致的移位. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 7.5.2 离子损伤能量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 7.5.3 沉积能量的空间分布. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 7.6 损伤产生率. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 7.7 初级反冲谱. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 7.8 分数损伤函数. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 7.9 多组元材料中的移位损伤. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 7.9.1 损伤能量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 7.9.2 移位损伤. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 7.10 替位碰撞序列. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 7.11 峰. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 7.11.1 平均自由程和移位峰. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 7.11.2 热峰. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 7.11.3 沉积能量密度θD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 7.11.4 级联体积和沉积能量密度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 7.11.5 沉积能量密度与材料性质. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 推荐阅读. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 第8 章离子与固体相互作用模拟和辐照增强扩散. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 8.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166 8.2 蒙特卡罗模拟. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 8.2.1 蒙特卡罗程序的一个例子, PIPER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 8.2.2 核阻止. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 8.2.3 电子阻止. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 8.2.4 计算过程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 8.2.5 TRIM 程序的一个例子. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 8.3 分子动力学模拟. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 8.4 辐照增强扩散. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 8.4.1 扩散. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 8.4.2 辐照增强扩散. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 8.5 热峰中的扩散. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 推荐阅读. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 第9 章溅射. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 9.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189 9.2 单质靶的溅射. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 9.2.1 核阻止截面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 9.2.2 沉积能量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 9.2.3 溅射产额. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 9.3 单质靶溅射的半经验方程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 9.4 掠入射时单质靶的溅射产额. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 9.5 离子注入与稳态浓度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 9.6 合金和化合物的溅射. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 9.6.1 优先溅射. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 9.6.2 组分变化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 9.6.3 组分深度分布. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 9.7 高剂量离子注入. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 9.8 注入离子浓度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 9.8.1 能量为45 keV 的Pt 注入Si 中. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 9.8.2 能量为45 keV 的Si 注入Pt 中. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 9.8.3 Si 注入PtSi 中. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 9.9 影响高剂量离子注入浓度的因素. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 9.10 峰的溅射. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 9.11 计算机模拟. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 推荐阅读. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 第10 章辐照致有序--无序转变和离子注入冶金学. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221 10.1 辐照导致的化学有序–无序转变. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 10.1.1 长程有序参数SLR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 10.1.2 辐照导致的无序: 点缺陷. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 10.1.3 辐照导致的无序: 密集级联. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 10.1.4 辐照增强的热重排. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 10.2 离子注入冶金. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 10.3 离子注入冶金与相的形成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 10.3.1 简单的二元平衡相图: 固溶体. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 10.3.2 快速淬火金属体系: 亚稳态合金. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 10.3.3 注入杂质原子的晶格位点. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 10.4 离子注入: 高剂量情形. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 10.4.1 几何效应. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 10.4.2 表面化学效应. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 推荐阅读. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 第11 章离子束混合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 11.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 11.2 碰撞混合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 11.2.1 反冲混合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 11.2.2 级联混合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 11.3 离子束混合中的热力学效应. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 11.3.1 混合焓. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 11.3.2 内聚能的影响. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 11.3.3 混合模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 11.3.4 级联参数. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 11.4 热辅助离子束混合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 11.4.1 液体扩散. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 11.5 转变温度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 11.6 相形成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 11.6.1 动力学. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 11.6.2 形核. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 11.6.3 热力学. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 推荐阅读. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 第12 章相变. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 12.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 12.2 相变和离子辐照中的能量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 12.2.1 亚稳相. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 12.2.2 非晶相和结晶相之间的能量差异. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 12.2.3 有序–无序转变焓. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 12.3 辐照诱发的缺陷和损伤沉积. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 12.3.1 空位–间隙原子对缺陷. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 12.3.2 反位缺陷. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 12.3.3 位错. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 12.3.4 应变能和弹性不稳定性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 12.4 级联和热峰导致的相变. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 12.4.1 级联恢复：驱动力. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 12.4.2 级联恢复：形核. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 12.4.3 级联恢复：动力学. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 12.5 动力学和亚稳相的形成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 12.6 非晶相. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 12.6.1 复杂晶胞. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 12.6.2 相场宽度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 12.7 概述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 推荐阅读. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 第13 章离子束辅助沉积. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 13.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 13.2 金属薄膜生长过程中的微观结构演化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .308 13.2.1 区域I, Ts < 0.15Tm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 13.2.2 区域T, 0.15Tm < Ts < 0.3Tm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 13.2.3 区域II, 0.3Tm < Ts < 0.5Tm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 13.2.4 区域III, Ts > 0.5Tm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 13.3 非反应性IBAD：离子对薄膜生长的影响. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 13.3.1 IBAD 过程中的微观结构演化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 13.3.2 致密化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 13.3.3 应力. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 13.3.4 晶粒尺寸. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 13.3.5 织构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 13.3.6 外延生长. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 13.3.7 附着性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 13.4 反应性IBAD：化合物合成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 13.4.1 反应性IBAD：理论模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 13.4.2 反应性IBAD：于布莱–范维克滕模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .338 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 第14 章离子束系统的特征. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 14.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 14.2 定向束离子注入. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 14.2.1 离子注入机离子源. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 14.2.2 离子束质量分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 14.2.3 离子束传输、束流扫描、靶的操作. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 14.2.4 剂量的确定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 14.2.5 基体温度的考量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 14.3 等离子体离子源离子注入. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 14.4 IBAD 离子源. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .360 14.4.1 宽束栅格离子源. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 14.4.2 端部霍尔离子源. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 14.4.3 ECR 离子源. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 14.5 物理气相沉积系统和监视器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 推荐阅读. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 附录A 晶体学. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 A.1 晶体学和符号. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 A.2 晶向和晶面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 A.3 具有相同米勒指数的晶面间距. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 A.4 原子间距. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 A.5 晶面间距. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 附录B 元素表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 附录C 态密度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 C.1 电子的波动性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 C.2 盒子里的驻波和电子. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .