Наноструктури, викликані адитивною дією іонних пучків між відкладеннями кінетичної енергії та

Розробка відтворюваних і добре контрольованих наноструктур на твердій поверхні, які можуть мати оригінальні властивості (газові детектори, магнітний датчик, реакційна здатність і каталіз тощо), вимагає оригінальних інструментів і чіткого розуміння явищ структурування поверхні (розриви посилань, дифузія, сегрегація тощо).

Серед можливих методів структурування речовини за допомогою іонного пучка є оригінальною технікою, яка лежить в основі дослідницької діяльності групи MADIR - Матеріали, Дефекти та Опромінення в CIMAP. Нещодавно ця команда у співпраці з китайськими та австрійськими командами дослідила поверхневі модифікації CaF2 та створення незалежних ділянок, граючи як на кінетичну енергію, так і на стан заряду пучків іонів.

Таким чином, була встановлена фазова діаграма утворення плям на поверхні CaF2, опромінених іонами Xe, як функція втрати енергії електронним збудженням, пов'язаної з кінетичною енергією іонів, та їх потенційної енергії. (Сума енергії зв'язку відсутніх електронів). У проміжному режимі між покладами суто кінетичної або суто потенційної енергії формалізація та тривимірне моделювання дозволили показати, що адитивність цих двох процесів пояснює утворення наноструктур, нижче порогових значень для формування індукованих наноструктур. той чи інший механізм.

Наноструктурування матеріалів - одне з найпопулярніших технологічних застосувань іонних пучків сьогодні. Дійсно, під час своєї подорожі по матеріалу іони відкладають свою енергію по своїй траєкторії; які можуть назавжди змінити організацію матеріалу в об’ємі (створення дефектів, фазовий перехід, формування частинок тощо), а також на його поверхні (утворення кратерів, шпильок, борозд, хвиль, складок тощо ...) [ 1,2]. Зазвичай для наноструктуризації використовується колективний ефект іонів. Однак вже кілька років команда CIMAP розвивається завдяки швидким важким іонам GANIL, наноструктуруючий за рахунок індивідуального впливу (створення прихованих слідів, нанопор, низки регулярно розташованих нанобуртиків тощо).

Дослідники CIMAP у співпраці з Інститутами сучасної фізики Ланьчжоу та Прикладної фізики Відня зацікавились поверхневими модифікаціями відомого ізолятора CaF2 [1,3], граючи на енергії пучка іонів. Використовувані пучки належать до дуже різних енергетичних режимів, але мають спільну характеристику: осадження енергії від снаряда до речовини відбувається за допомогою електронних збуджень, а не балістичних зіткнень. Таким чином, екстремальні випадки швидких іонів (MeV-GeV), що утворюються в GANIL в Кані, та високозаряджених повільних іонів (keV), що утворюються в IMP в Ланчжоу, використовувались, щоб відповідно змінювати депозити кінетичної енергії електроном збудження (Se в кеВ/нм) потенційна енергія (Ep в кэВ, що представляє суму енергій зв'язку відсутніх електронів).

AFM поверхні CaF2, опроміненої (а) Xe 21+ при 5МеВ, наноструктура не сформована, (b) Xe 22+ при 5МеВ, створені наноструктури

(c) фазова діаграма для формування наноструктур на CaF2, опроміненої Xe, як функція втрат енергії електронів та потенційної енергії [4]. Регіон А, відсутність ділянки; область В, утворення поверхневих плям.

Добре встановлено, що поріг Se або Ep, який можна визначити за спостереженнями поверхні за допомогою атомно-силової мікроскопії (AFM, див. Зображення (а) і (b)), необхідний для формування наноструктур. Співпраця показує, що в проміжному режимі і нижче відповідних порогових значень (чисто кінетичне відкладення енергії або виключно потенційна енергія) можуть формуватися поверхневі ділянки. Встановлено фазову діаграму формування поверхневих плям в CaF2, опромінених пучками іонів Xe; залежно від двох змінних: втрати електронної енергії та потенційної енергії (див. рисунок (c)) [4]. Ця фазова діаграма складається з двох областей (А і В), розділених прямою лінією, що з'єднує поріг в Se утворення нерівностей швидкими важкими іонами (SHI) і поріг в Ep утворення повільними сильно зарядженими іонами (HCI). В області А не спостерігається створення плям, тоді як в області В плями утворюються на поверхні CaF2. Формування плям у проміжному режимі пояснюється адитивністю двох типів енергетичних відкладень (кінетичної та потенційної).

Запропонована формалізація, яка підтверджена 3D-моделюванням, що показує, що додавання Se та фракції Ep, відкладених у циліндрі, біля поверхні, дозволяє пояснити створення ділянок у цьому проміжному режимі [4]. Модель, яка зазвичай використовується для швидких важких іонів [5], була розширена до високозаряджених повільних іонів. Ця модель дозволяє пояснити поверхневі модифікації матеріалу шляхом здійснення перехідного теплового процесу, пов'язаного з переходом твердої речовини/рідини, розташованого в циліндрі вздовж траєкторії руху іона.

[1] "Поверхневі наноструктури, індуковані одиночними іонами: порівняння між повільними сильно зарядженими та швидкими важкими іонами",
Ф. Аумайр, С. Фацко, А. С Ель-Саїд, К. Траутман і М. Шлебергер, Дж. Фіз. Уклад. Метт. 23, 393001 (2011).

[2] “Раціональний опис механізму формування іонно-променевого пучка”,
Г. Ріцца, П. Е. Кулон, В. Хоменков, К. Дюфур, І. Монне, М. Тулемонде, С. Перрухас, Т. Гакоін, Д. Мейлі, X. Лафос, К. Улісс та Е. А. Даві, фіз. Преподобний B 86, 035450 (2012).

[3] “Створення наногірок на поверхнях CaF2 одиничними повільними високозарядженими іонами”,
А.С. Ель-Саїд, Р. Хеллер, В. Мейсль, Р. Ріттер, С. Фацко, Ч. Лемелл, Б. Солледер, ІК Гебешубер, Г. Бетц, М. Тулемонде, В. Меллер, Й. Бургдорфер та Ф Аумайр, фіз. Преподобний Lett. 100, 237601 (2008).

[4] "Осадження енергії важкими іонами: Аддитивність кінетичного та потенційного внесків енергії у формуванні горба на CaF2",
YY Wang, C.Grigiel, C.Dufour, JR Sun, ZG Wang, YT Zhao, GQ Xiao, R.Cheng, XM Zhou, JR Ren, SD Liu, Y. Lei, YB Sun, R.Ritter, E.Gruber, А. Кассімі, І. Монне, С. Буффар, Ф. Омейр і М. Тулемонде, Наукові звіти 4, 5742 (2014).

[5] “Перехідні теплові процеси при опроміненні важкими іонами кристалічних неорганічних ізоляторів”,
М. Тулемонде, К. Дюфур, А. Мефтах та Е. Пам'є, Нукл. Інстр. Мет. B 166, 903 (2000).