Fe注入α-Al2O3、Co注入单晶硅注入态与退火态的微结构研究

论文摘要

离子注入作为一种高效的材料表面改性技术，被广泛地应用于改善材料表面的物理、化学和机械性能。离子注入α-Al2O3陶瓷具有优越的力学性能，所以常常被用做结构材料。近年来，人们还发现Fe离子注入α-Al2O3陶瓷具有优越的磁学性能，将来可能被用做新一代的数据存储介质。另外，离子注入技术还用来制备CoSi2埋层，这种金属硅化物埋层有望成为集成电路中新一代的欧姆接触和互联引线。但是对于注入后的α-Al2O3陶瓷和单晶硅样品，目前在微结构上的认识还是非常有限的，而材料的微结构决定材料的性能和应用，所以对离子注入样品的微结构进行深入地研究是非常有必要。本文利用透射电镜对Fe注入α-Al2O3原始注入态、还原气氛下退火态和氧化气氛下退火态的微结构进行了研究，另外还对Co注入单晶硅原始注入态和真空退火态的微结构进行了研究。得到的主要结论如下：在低注量(1×1016ions／cm2)Fe注入α-Al2O3单晶原始注入态样品中，没有析出α-Fe颗粒，注入区存在着高浓度晶体缺陷，但α-Al2O3基体仍保持单晶结构。在高注量(1×1017ions／cm2)样品中，析出了1-3nm的小颗粒。结合McHargue等人穆斯堡尔谱分析结果，我们认为析出相是α-Fe颗粒。注入区存在着浓度更高的晶体缺陷，α-Al2O3基体仍保持单晶结构。对Fe注入α-Al2O3单晶在还原气氛下进行退火处理后，α-Al2O3基体中生成α-Fe颗粒。α-Fe颗粒与α-Al2O3基体具有如下的取向关系：（111）α-Fe)//（0001）sapphire和[1（?）0]α-Fe//[11（?）0]sapphire这与Ohkubo等人的实验结果是一致的。其中，少量的α-Fe颗粒偏离该取向关系，最大偏离角小于3°。大的α-Fe颗粒具有两种典型的轮廓：一些α-Fe颗粒的轮廓是由α-Al2O3（0001）、{11（?）0)和{2（?）3}晶面构成；另一些α-Fe颗粒的轮廓是由α-Al2O3（0001）、{11（?）0}、{2（?）3)和{2（?）}晶面构成。利用倒空间近重位点阵分析表明，在α-Fe和α-Al2O3体系中，上式所表示的取向关系是最有利的，而该体系中观察到的另一取向关系：（110）α-Fe//（0001）sapphire和<111>α-Fe//<5（?）0>sapphire被证明是次有利取向关系。对Fe注入α-Al2O3单晶在氧化气氛下进行退火处理后，在α-Al2O3基体表面出现了两种析出相：α-Fe2O3析出相和尖晶石析出相。α-Fe2O3析出相与α-Al2O3基体具有下面的取向关系：[0001]α-Fe2O3//[0001]sapphire和（11（?）0）α-Fe2O3//（11（?）0）sapphire岛状α-Fe2O3析出相的三维轮廓是由两个α-Fe2O3（0001）晶面和六个α-Fe2O3{10（?）2}晶面构成的。α-Fe2O3析出相与α-Al2O3基体的界面属于半共格界面。沿α-Al2O3[（?）100]晶向观察，α-Fe2O3（0001）／α-Al2O3（0001）界面失配位错的柏氏矢量分量是1／6[11（?）0]sapphire。沿α-Al2O3[11（?）0]晶向观察，界面失配位错的柏氏矢量分量是1／2[（?）100]sapphire。尖晶石析出相与α-Al2O3基体具有两种取向关系，其中一种是尖晶石相与α-Al2O3之间普遍存在的取向关系：（111）spinel//（0001）sapphire和[11（?）]spinel//[11（?）0]sapphire另外一种是在spinel／α-Al2O3体系中首次被发现的取向关系：（11（?））spinel//（0001）sapphire和[111]spinel//[11（?）0]sapphire尖晶石析出相与α-Al2O3基体的界面属于非共格界面。在Co注入单晶硅原始注入态样品中观察到了CoSi2析出相，并且CoSi2析出相与单晶硅具有下面的取向关系：[110]CoSi2／／[110]Si和（2（?）0）CoSi2//（2（?）O）SiCoSi2析出相六边形轮廓的边平行于Si{001}晶面和Si{111}晶面。同时在注入末端区域观察到了大量的{113}缺陷及缺陷初始生成阶段的高分辨像。退火过程使得原始注入态下大量的小CoSi2析出相合并成大的CoSi2析出相，没有形成连续的CoSi2埋层。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 离子注入技术及发展概况
• 1.1.1 离子注入原理与物理基础
• 1.1.2 离子注入技术的特点
• 1.1.3 离子注入设备
• 1.1.4 离子注入技术在表面改性中的应用
• 2O₃的晶体结构及性质'>1.2 单晶α-Al₂O₃的晶体结构及性质
• 2O₃的研究现状及进展'>1.3 高能离子注入α-Al₂O₃的研究现状及进展
• 2O₃的微结构'>1.3.1 离子注入α-Al₂O₃的微结构
• 2O₃的退火特性'>1.3.2 离子注入α-Al₂O₃的退火特性
• 1.4 离子注入制备埋层硅化物的研究现状及进展
• 1.5 本文的研究目的、意义和研究内容
• 1.5.1 研究目的和意义
• 1.5.2 研究内容
• 2 实验设备及材料的制备
• 2.1 实验设备
• 2.1.1 离子注入设备
• 2.1.2 透射电子显微镜
• 2.2 材料的制备
• 2.2.1 制备离子注入样品
• 2.2.2 制备透射电镜样品
• 2O₃中注入Fe原始注入态的微结构'>3 单晶α-Al₂O₃中注入Fe原始注入态的微结构
• 3.1 引言
• 3.2 实验结果与讨论
• 16inos/cm²)原始注入态的微结构'>3.2.1 低注量(1×10¹⁶inos/cm²)原始注入态的微结构
• 17ions/cm²)原始注入态的微结构'>3.2.2 高注量(1×10¹⁷ions/cm²)原始注入态的微结构
• 3.3 结论
• 2O₃中注入Fe还原气氛下退火态的微结构'>4 单晶α-Al₂O₃中注入Fe还原气氛下退火态的微结构
• 4.1 引言
• 4.2 实验结果与讨论
• 16ions/cm²)还原气氛下退火态的微结构'>4.2.1 低注量(1×10¹⁶ions/cm²)还原气氛下退火态的微结构
• 17ions/cm²)还原气氛下退火态的微结构'>4.2.2 高注量(1×10¹⁷ions/cm²)还原气氛下退火态的微结构
• 2O₃基体取向关系的倒空间近重位点阵分析'>4.2.3 α-Fe析出相与α-Al₂O₃基体取向关系的倒空间近重位点阵分析
• 4.3 结论
• 2O₃中注入Fe氧化气氛下退火态的微结构'>5 单晶α-Al₂O₃中注入Fe氧化气氛下退火态的微结构
• 5.1 引言
• 5.2 实验结果与讨论
• 2O₃析出相的微结构研究'>5.2.1 α-Fe₂O₃析出相的微结构研究
• 5.2.2 尖晶石（spinel）析出相的微结构研究
• 5.3 结论
• 6 单晶硅中注入Co原始注入态和真空退火态的微结构
• 6.1 引言
• 6.2 实验结果与讨论
• 16ions/cm²)和高注量(1×10¹⁷ions/cm²)原始注入态的微结构'>6.2.1 低注量(1×10¹⁶ions/cm²)和高注量(1×10¹⁷ions/cm²)原始注入态的微结构
• 16ions/cm²)和高注量(1×10¹⁷ions/cm²)真空退火态的微结构'>6.2.2 低注量(1×10¹⁶ions/cm²)和高注量(1×10¹⁷ions/cm²)真空退火态的微结构
• 6.3 结论
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢