【文章內(nèi)容簡介】 圖 2． 1俄歇躍遷示意圖 設(shè)某原予層數(shù)為 z的元素發(fā)生 WXY的俄歇躍迂，根據(jù)能量守恒，以 EF為零點， 則此躍遷的俄歇電子能量由方程 (2． 1)給出： ￡ W=E∥一 EⅣ一 Er (21) 其中 E，是 W能級的結(jié)合能 (即初空穴的能量 )， E。和研也是相應(yīng)能級的結(jié)合能 (即 最后兩空穴的能量 )。 但是 E，和￡，不是中性原子中的結(jié)合能，因為考慮 x能級電子結(jié)合能時必須計及 Y 能級缺一電子，相當(dāng)于原子帶 +e電荷，但由于這正電荷部分是在較外面，只相當(dāng)于原子 核電荷增加了 +e的一部分，這樣近似底可認為： E。 =去陋。 (Z)+E。 (Z+1)】 其中 E， (z)表示原子序數(shù)為 Z的中性原予能級。 。同樣： E， =妻陋， (z)+E， (z+1)1。 俄歇電子的能量表達式 (2． 9)可簡化為表達式 (2． 10)： E。 (Z)=E， (z)一 1／ 2[E， (Z+1)+E， (Z)】一 1／ 2[e， (Z+1)+￡， (z)1 (2． 2) 對于固體發(fā)射的俄歇電子，還需要克服電子能譜儀的功函數(shù)，因此可以用式 (23) 束表示出射俄歇電子的能量【 4 7] Ewe(Z)=占， (Z)一 1／ 2[E。 (z+1)+E， (z)】一 1／ 2[E， (Z+1)+F， (z)】一巾 s(2． 3) 式中： Os是電子能譜儀的功函數(shù) (單位， eV)。 這樣根據(jù)原子的能級數(shù)據(jù)就可以算出俄歇電子的能量。根據(jù)測定鈾金屬態(tài)與氧化態(tài) 時的各軌道電子結(jié)合能，可以計算出鈾元素在余屬態(tài)與氧化態(tài)時的各特征俄歇電子躍遷 能量 (如表 2． 1所示 )， 算出的數(shù)值與實驗測得的數(shù)值符合的相當(dāng)好。 離子注入碳后鈾表面吸附行為研究 表 2． 1采用俄歇電子能譜儀可得到的信號種類和信息 信號種類 所得信息 表面定性分析 俄歇電子的特征峰 表面半定量分柝 能帶結(jié)構(gòu) (能態(tài)分析 ) 定性分析 電介質(zhì)膜的厚度 能量損失峰 縱向數(shù)據(jù) 表面形貌 俄歇信號隨深度的變化 縱向元素分布 二維分析 俄歇信號的面分布、吸收電流的面分布 結(jié)合縱向變化可作三維分析 縱向數(shù)據(jù) 俄歇信號的角分布 表面的晶體性質(zhì) 電子轟擊撞出的離子和中性粒子 特征軟 x射線、光及 其它 另外，原子受激發(fā)后，俄歇電子的產(chǎn)額與原子序數(shù) (z)有關(guān) [34,351。在進行俄歇電 子的能量檢測時，通常是根據(jù)原子序數(shù)的大小檢測不同系列的俄歇電子，得到較強的俄 歇電子信號，以使表面成分的檢測順利進行。通常，對 z 14的元素，采用 KLL電子來 鑒定； Z高于 14的時候， LMM比較適合； Z 42的元素，以 MNN和 MNO俄歇電子為 佳。 俄歇電子譜在表面物理領(lǐng)域有著非常重要的作用。它常用來分析固體表面的能帶結(jié) 構(gòu)、態(tài)密度以及表面組分。近年來，利用俄歇電子譜法研究材料的表面念已取得可喜的 進展 ，對鎢單晶等材料的清潔表面態(tài)的研究取得的成果就是實例。俄歇電子譜常用來研 究隨著表面組分的變化而引起表面物理的、化學(xué)的性質(zhì)的變化。比如用以研究表面的吸 附、脫附現(xiàn)象、表面的污染和表麗電化學(xué)性質(zhì)以及光學(xué)性質(zhì)的關(guān)系。 俄歇電子能譜儀 (AES)： PHI． 650掃描俄歇電子能譜儀圖和原理結(jié)構(gòu)圖分別如圖 2． 4和圖 2． 5，它采用電子束作為激發(fā)源，具有電子束容易聚焦和柬徑小的優(yōu)點，有較好 的微區(qū)分析能力，可以在樣品表面上進行點、線和面各種掃描分析；采用鏡筒式能量分 析器，可以得到較理想的傳輸率和靈敏度。濺射離子槍可以根 據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)氖骱? 離子束能量來濺射清洗表面，或者蝕刻表面以便分析樣品各組分的深度分布。 9 離子注入碳后鈾表面吸附行為研究 該儀器的主要技術(shù)參數(shù)如下： ①真空室里的最高真空度可達至 0 6． 5x10一 Pa： ②入射電子能量： lOOeV～ lOken ③能量分辨率： 0． 25％， 0． 4％， 0． 6％， 0． 8％， 1． O％和 1． 2％： ④電子槍最小束斑 35nm，束壓 lOkV，最大束流 3． 7‘一； ⑤雙等離子槍最小束斑 5冊，束壓 7kV,最大束流 lO卅。 圖 2． 4 PHI． 650掃描俄戢電子能譜儀圖 數(shù)據(jù)收取 電子探瀟器 圈 2． 5 PHI．． 650掃描俄歇電子能譜儀的原理結(jié)構(gòu)圖 10 離子注入碳后鈾表砸吸附行為研究 2． 3 電化學(xué)極化原理及電化學(xué)極化儀 腐蝕試驗采用的是電化學(xué)極化實驗方法。與其它實驗方法相比，電化學(xué)實驗方法具 有測量速度快、測試靈敏度高等特點。此外它還是一種原位測量技術(shù)，能夠測試出腐蝕 材料電極在外界條件影響下的瞬間及連續(xù)變化的情況，因此被廣泛應(yīng)用 于腐蝕機理的研 究、腐蝕速度的測定及測量篩選等方面。 電化學(xué)腐蝕過程必將在電極界面上伴隨有得失電子的電化學(xué)反應(yīng) (腐蝕反應(yīng) )發(fā)生。 腐蝕速度可以用電流的大小來表示，表征腐蝕速度和原動力電極電位之間的電流一電極 電位瞌線稱為極化曲線。腐蝕過程中，不同控制步驟的電極過程有不同的電極電位一電 流密度函數(shù)關(guān)系，也就有不同的極化曲線形狀。 本極化曲線的測量方法是恒電位法中的連續(xù)掃描方法。即以電位為自變量，遵循一 定的電位變化程序，測定相應(yīng)的極化電流隨電位變化的函數(shù)關(guān)系 p墳 E)。相應(yīng)的極化曲 線就是恒電位極化曲線。連續(xù) 掃描方法指利用線性掃描信號電壓控制恒電位儀或恒電流 儀的給定自變量 (電位或電流 )，使其按照一定的程序以規(guī)定的速度連續(xù)線性變化，同 步的記錄響應(yīng)信號 (電流或電位 )隨時間、或隨給定量的變化從而繪出極化曲線?？刂? 電位的連續(xù)掃描來鋇 4定的極化曲線稱為動電位極化曲線。對于控制電位的連續(xù)掃描方 法，由于恒電位儀的作用，可自動調(diào)節(jié)極化電流而維持每一瞬間的研究電極的電位等于 設(shè)定的電位值，使之作同樣的線性變化。從這種意義上講，這種方法具有定電位的性質(zhì)， 故有時也稱為恒電位掃描法。 電化學(xué)腐蝕性能參數(shù)則采用如下公式計算： E=lflaflc／ [2． 31co一 (fla+flc)]+丘。 (2— 4) 式中： Ico。：自腐蝕電流密度 (gA／ cm。 )： Eco，：自腐蝕電位 (V／ SCE)；肋、膨：陽 極、陰極 Tafel常數(shù) 電化學(xué)腐蝕測試在 PARSTAT 2263 DC+AC一體化電化學(xué)綜合測試儀系統(tǒng) (美國普林 斯頓公司 )及 ASTM標準腐蝕電解池組件上進行，并在 PowerCoff及 Powersine軟件的控 制下利用計算機自動采集數(shù)據(jù)。實驗中，樣品為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極， 高純石墨棒為輔助電極，并采用取自動補償來 消除溶液電阻對直流電化學(xué)行為的影響。 電化學(xué)腐蝕介質(zhì)為含 50 ug／ g C1啪氯化鉀溶液，溫度為室溫。所有電化學(xué)腐蝕試驗均在 樣品在腐蝕電解質(zhì)溶液中浸泡 1小時腐蝕電位穩(wěn)定后開始進行。線性極化的電位掃描范 圍為一 lOmV～ +10mH相對腐蝕電位 )，掃描速度為 O． 167 mV／ s，采用軟件中的線性擬合 方法自動求解腐蝕體系的極化電阻勛和腐蝕電流密度 ico。：動電位極化的電位掃描范圍 為 50my～ +800mv(相對腐蝕電位 )，掃描速度為 2mV／ s采用零電阻電流計 (ZRA) 進行電偶腐蝕電流測量。 離 子注入碳后鈾表面吸附行為研究 2． 5 TRIM計算的基本原理 載能離子進入固體后，與固體中的原子發(fā)生級聯(lián)碰撞 (collision cascade)，受到原子 核和核外電子的散射作用，而逐漸損失能量，最后停留在固體內(nèi)部一定深度，同時，固 體原子獲得一部分能量，可能發(fā)生一定的位移，并留下空位類型的缺陷，離位的反沖靶 原子與其它靶原子碰撞，進一步產(chǎn)生新的空位，該過程稱為離位損傷現(xiàn)象 (displacement damage)。不同固體材料對一定能量入射離子能量的降低能力不同，而入射離子在單位 路徑 上的能量降低值，稱為固體材料的阻止本領(lǐng) (stoppingpower)，是決定離子射程分布 的重要參數(shù)。 s：上絲 (2— 5) Ⅳ出 式中：Ⅳ一原子密度，原予數(shù)／ cm3； 昂一能量； 卜距離。 考慮到離子與靶材料的相互作用的微觀機制后，對于大量入射離子在介質(zhì)中的輸運 過程，可以用 MornCarlo方法精確地模擬出來。 1980年， J． P． Biersack和 J． F． Ziegler等 入采用 Monte Carlo方法隨機選定碰撞參數(shù)，模擬碰撞過程，計算一個離子從進入靶開 始到最終損失全部能量而停止或穿出靶時所產(chǎn)生 的輻照損傷。 1985年，相應(yīng)的模擬軟件 由 Zieg|el等人開發(fā)出來，稱為 TRIM(TRansport of Ions in Matter)程序 p“。用它可確定 離子的射程和損傷分布，背散射和透射離子的角度和能量分布。 TRIM指令的物理假設(shè) 是跟蹤大量單個離子在靶中的經(jīng)歷，給出每個離子開始的位置、方向和能量，然后與靶 原子進行一系列碰撞。假定每次碰撞之間的路徑是直線，而每碰撞一次均有能量損失 (包 括電子能量損失和核能量損失 )，盔到離子能量損失達到一定值而停在靶內(nèi)或在碰撞過 程中從靶的前后表面飛出去，這樣可 真實的描述注入離予在靶中的全過程。 TRIM程序 不斷完善和發(fā)展， 1995年已擴展到入射離子能量從 lOeV至 q 2GeF／ amu，對于各種離子、 單質(zhì)、化合物和復(fù)合多層靶材料均適用。程序的計算結(jié)果具有統(tǒng)計意義．只要所計算的 粒子數(shù)目足夠多，就能得到所需要的精度。 相較于建立在材料輸運理論基礎(chǔ)之上的其他分析方法， TRIM程序能更嚴格的處理 粒子在材料中的彈性散射問題，并能考慮材料表面和界面的影響，同時也能很容易的計 算出粒子在材料中的能量淀積和分布規(guī)律。因此，在材料的離子注入研究中 TRIM程序 得到了廣泛的應(yīng)用 。經(jīng)過不斷的發(fā)展，目前，該軟件已成為離子注入工作者選擇入射離 子能量、分析離子和缺陷分布的主要工具。本論文選用 1998版本的 TRIM。進行模擬。 +TRIM程序嘲站： ：／ Z ． watson． ibm． 2 離子注入碳后鈾表面吸附行為研究 2． 6離子注入裝置 離子注入在西南物理研究院工業(yè)型離子注入機上進行，多功能離子注入增強沉積設(shè) 備裝置如圖 2． 2與圖 2． 3所示。該裝置是一種將離子注入和薄膜沉積相結(jié)合的先進材料 表面改性設(shè)備，配備了金屬蒸發(fā)真空弧離子源 (MEWA)、高能氣體離子源、低能離子束 濺射源以及轟擊清洗離子源，工件架可實現(xiàn)三維運動 (乎動、轉(zhuǎn)動及傾斜 )。該裝置可 進行單離子注入、復(fù)合離予注入、材料清洗和拋光以及離子束增強沉積涂層等多種實驗 與工業(yè)生產(chǎn)。 圖 2． 2多功能離子注入增強沉積設(shè)備示意圈 離子注入碳后鈾表面吸附行為研究 圖 2． 3多功能離子注入增強沉積設(shè)備圈 2． 7掃描電子顯微鏡 (SEM) SEM觀察在 KYKY1010B型掃描電子顯微鏡上進行，電子束的加速電壓為 25kV。 2． 8 x射線衍射儀 (Ⅺ瞪 D) 表面 XRD分析在 Philips公司生產(chǎn)的小角度 X射線衍射儀 — X’ Pert上進行。典型分 析條件為： X射線源： Cu靶 Kct系， k。 1=1． 540562，九‰ 2=1． 54439』， koe／ k口 l=0． 5： 入射角： 0． 50～ 1． 50； 測角儀掃描方式：連續(xù)掃描， O． 060／步 (O． 020／步 )； 掃描范圍： 40 o～ 850。 14 離子注入碳后鈾表面吸 附行為研究 第三章離子注入碳后純鐵表面吸附行為的研究 3． 1試樣 將工業(yè)純鐵 (純度／ 99％ )加工為 OgmmX2mm和 015mmX3mm的片狀樣品，以分別 滿足離子注入后 SEM、 XRD、 AES、吸附 (初始氧化 )實驗以