等离子体离子注入

1987年,康拉德和卡斯塔发明了一种将等离子体作为介质直接在材料表面注入离子的技术。这项技术是基于以下现象提出的,浸没于等离子体中的物质周围被一个离子鞘层所环绕,这个鞘层相对于等离子体电势来说是一个负偏压。在平衡条件下,离子鞘层将离子通量输送给电极,其速率由以离子声速从预鞘层进入鞘层的离子流来决定。这类技术的发明几乎在同一时期出现在澳大利亚。被等离子体浸没离子注入、等离子源离子注入或等离子体基离子注入。

下图为等离子体注入过程中的基本时间尺度的示意图。当把负脉冲电压加在浸没于均匀等离子体中的一个电极上时,电子将被排斥而远离电极。此过程发生的时间周期是在一个电子等离子体周期内,是等离子体振荡频率的倒数。对于低密度等离子体,电子等离子体周期的典型值为纳秒级。在此期间,离子基本上不移动,随着电极附近的电子被排斥逐渐远离,在电极附近就会形成一个接近均匀和稳定状态的离子空间电荷区域,这就是所谓的离子阵鞘层。其电势通常呈抛物线分布不同种类的离子鞘层矩阵模型可以给出更详细的电势分布变化。

等离子体注入

紧接着,经过一个较慢的、微秒量级的离子等离子体时间,离子被加速,并开始向电极移动。在此期间,离子获得的最大能量是鞘层电压降。然后,它们穿透并进入由穿透深度决定的电极表面内,其中,穿透深度是所加电压和材料密度的函数。随着离子的减少,鞘层边缘便以由离子声速决定的速率逐渐延伸到等离子体内,最终形成了一个具有一定厚度的平衡鞘层,此厚度由鞘层内损耗的离子和进入鞘层内的离子所建立的平衡决定。

高能离子注入固体后会发生一系列变化。高能离子在很短的时间内就可以减速到固态结合能的水平,而离子与固态原子相互作用的产物也会在非常短的时间内沉积下来。在这些阶段内形成的辐射损伤得到了一定程度的退火。次表层原子之间的内部混合也发生在这些阶段。当基板温度较高时(有时是由注入过程本身产生的),被注入的原子和辐射损伤还会发生热扩散,这些减速过程发生在几百秒的时间内。经过这些变化,次表层区域的化学组成结构发生了变化,并形成了新的物化相可能是均一的固溶相,也可能是沉积物。应当指出,所有这些现象都会受辐射损伤的影响。

当高能粒子注入材料表面时,会发生溅射,使得被注入表面受到侵蚀。随着能量密度的增加,表面侵蚀将渗透到原来被注入的区域。当注入和材料表面的侵蚀达到平衡后,材料表面的形貌就确立了。

从技术上来讲,等离子体离子注入比基于加速器的离子注入简单得多,原因如下:

(1)不需要束流光栅和进行目标靶的控制。

(2)不需要对目标靶进行掩模。

(3)能够在离子源硬件和控制设备上维持接近地电势。

(4)无论是连续还是分批处理,效率都非常高。

(5)能够处理较大、较重或外形复杂的物体。

离子注入为研究不同的粒子以及在摩擦和热处理过程中对材料特性和材料结构的再构造影响提供了一种灵活并且可控的方法,这种方法能够为任何材料基底提供所需要的注入粒子。经过离子注入后,一些金属由于其表面形成了坚硬的保护层,而呈现出增强的抗磨性和抗氧化性。这些保护层阻止了材料的进一步的氧化,从而保护了材料内部。与电镀技术相比,离子注入可以大大延长机械零件和工具的寿命。

离子注入的另一个应用是对聚合物进行改性。在大多数聚合物里,注入离子的能量较高,使得表面生成了一个高导电层,而在表层下部则是低导电层。另外,大多数经过离子注入后的聚合物,呈现出阻溶性和增强的机械硬度。利用这些特性,再加上导电的温度敏感性,可以将注入后的聚合物应用在其他方面,如可以做成应变计‘温度敏感包装和体积非常小的电阻等。

PII过程可能非常适合用于对金属和陶瓷元件进行表面处理,实现下列表面性能的改善:耐磨性、抗氧化性、抗腐蚀性、抗疲劳性、改善摩擦力或者润湿性、增加硬度、提高半导体的导电性(金属化)。

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