銅離子注入氧化鋁單晶納米顆粒合成及熱演變研究.pdf

1、納米顆粒由于其獨特的性質(zhì)，它在光電子器件、生物傳感器等多個領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。研究納米顆粒的合成、性質(zhì)及其應(yīng)用成為目前材料科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的焦點。合成納米顆粒的方法有多種，而離子注入具有明顯的優(yōu)勢，表現(xiàn)在注入離子的種類及其濃度不受材料和材料的固溶度限制；納米顆粒形成的深度以及顆粒大小可以通過精確地控制離子的劑量和能量來實現(xiàn)等。因此，近年來，采用離子注入并結(jié)合隨后的熱處理成為制備和研究各類納米顆粒的一個重要方向。本工作在室溫下采用能量為4

2、5 keV、劑量為1×1017離子/cm2的Cu離子注入到Al2O3單晶中，注入后樣品隨后在不同氣氛下進(jìn)行熱處理，借助于紫外-可見分光光度計(UV-Vis)、X射線衍射儀(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)等測試手段詳細(xì)地研究了Cu納米顆粒的形成及其演變規(guī)律，重點比較了兩類氣氛，即真空和O2氣流對Cu納米顆粒生長和熱演變的影響。通過實驗研究，得到了以下重要的結(jié)果：
　　 (1)UV-Vis、XRD和AFM測試結(jié)果均表明，Cu離子注

3、入到Al2O3單晶可以產(chǎn)生鑲嵌的Cu納米顆粒，理論計算和實驗研究表明，該納米顆粒的尺寸約在10nm左右；
　　 (2)隨后的真空氛圍下退火，在300到600℃的溫度范圍，熱處理僅僅導(dǎo)致注入產(chǎn)生的各類缺陷(包括非晶化效應(yīng))的逐漸恢復(fù)，而表征Cu納米顆粒的特征相關(guān)量，如Cu等離子共振峰(SPR)和Cu(111)衍射峰，均未發(fā)生明顯的變化。結(jié)果說明，在真空中熱處理，對于所研究的溫度范圍，退火只能引起注入缺陷發(fā)生一系列的演變，而不能使得

4、Cu納米顆粒發(fā)生明顯的生長或演變。Cu納米顆粒未發(fā)生明顯的生長進(jìn)一步通過AFM測試得到了證實；
　　 (3)相同退火條件，在氧氣氛圍下對離子注入合成的Cu納米顆粒進(jìn)行熱處理，UV-Vis和XRD測試結(jié)果均表明，與真空退火不同，氧氣氛下退火導(dǎo)致了Cu納米顆粒發(fā)生了一系列的變化。在300℃退火溫度，Cu納米顆粒明顯生長；500℃退火溫度使得納米顆粒生長的同時，部分轉(zhuǎn)化為CuO納米顆粒；而600℃退火則使得Cu的納米顆粒完全轉(zhuǎn)變成Cu

5、O納米顆粒。AFM測試結(jié)果證實了納米顆粒的生長現(xiàn)象。
　　 在低能重離子高劑量注入下，固體表面的濺射會非常嚴(yán)重，由于固體表面的不斷侵蝕，會使得注入原子的分布發(fā)生顯著的變化，為了合理地解釋Cu納米顆粒的合成及其熱演變，本工作還基于濺射理論，在計算出濺射產(chǎn)額的基礎(chǔ)上，從理論上模擬計算出了不同劑量、45 keV Cu離子注入Al2O3單晶注入原子深度剖面，計算結(jié)果表明。在本工作采用的注入條件下，Cu原予不再呈現(xiàn)高斯型分布大部分Cu原子