强流脉冲离子束辐照砷化镓温度场的数值模拟

论文摘要

强流脉冲离子束因其自身的诸多优越性,在材料领域里越来越受到重视。不同能量密度的束流因与靶作用效果不同而用来进行不同的研究目的,较低的能量可以直接用于改性,较高的能量既可以用来改性又可以用来沉积薄膜及制备纳米粉。如何针对不同的靶材控制工艺参数达到实现不同的目的,需要从理论上进行指导,不能仅凭经验确定,因而建立有效的数值方法来解决这一非线性问题是非常必要的。紧密结合我们三束材料改性国家重点实验室从俄罗斯引进的TEMP型强流脉冲离子束（IPIB）加速器,根据拟合实测磁绝缘二极管（MID）电压波形以及采用法拉第筒检测的离子流密度建立了相应的物理模型,研究了IPIB辐照GaAs材料的过程中,材料内部温度场的变化,通过数值模拟找到GaAs靶发生熔化和汽化的能量阈值及其在一个脉冲时间内的温度场时空变化曲线。研究了辐照过程中热力学效应,建立了烧蚀过程的一维模型,对GaAs靶的烧蚀过程进行了数值计算,得到了脉冲处理过程中靶材内部的温度场分布及其演化规律。在温度场的模拟过程中,首先通过实测数据拟合了脉冲宽度为70ns,加速电压峰值为300kV,平均脉冲束流密度为180A/cm2的电压和束流密度曲线以及功率密度函数。束流成分为H+70%、C+30%的IPIB垂直辐照GaAs材料,一个脉冲结束后,混合离子束的能量沉积深度为2.75μm左右,表面处沉积的最大能量是18.2kJ/cm左右。模拟结果给出了GaAs材料内部的温度时空分布和GaAs材料的熔化阈值为2.59kJ/cm,发生在脉冲开始后的第10ns。理论模拟结果与实验结果接近。束流中不同种类离子份额会产生不同的辐照效应。模拟研究了MID阳极采用石墨和采用聚乙烯涂层:由于碳离子入射靶材射程较短,而氢离子相对较长,因而MID采用石墨阳极时（H+30%、C+70%）,束流能量主要沉积在表层,适用于薄膜制备的研究;而采用聚乙烯涂层时（H+70%、C+30%）,能量沉积相对较深,适用于材料改性的研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 强流脉冲离子束的发展历史
• 1.2 强流脉冲离子束的产生
• 1.2.1 产生装置
• 1.2.2 工作原理
• 1.2.3 工艺参数
• 1.3 强流脉冲离子束在技术上的应用
• 1.4 强流脉冲离子束与其他脉冲源的比较
• 2 强流脉冲离子束的研究现状
• 2.1 强流脉冲离子束国外研究现状
• 2.2 强流脉冲离子束国内研究现状
• 2.3 本文的主要内容及安排
• 3 高能脉冲离子束与表面的相互作用
• 3.1 非晶靶中的射程分布理论
• 3.1.1 能量损失与射程
• n（E₁）的理论计算'>3.1.2 核阻止本领S_n（E₁）的理论计算
• e（E₁）的理论计算'>3.1.3 电子阻止本领S_e（E₁）的理论计算
• 3.1.4 化合物的截止能
• 3.2 入射离子在非晶靶中的浓度分布理论
• 3.3 高能离子注入的损伤和退火
• 3.3.1 晶格损伤的一般概念
• 3.3.2 二次缺陷或剩余缺陷
• 3.3.3 原子离位损伤的物理模型
• 3.4 二体弹性碰撞理论
• 3.4.1 实验室坐标系
• 3.4.2 质心坐标系
• 3.4.3 离子输运的Monte Carlo模拟以及TRIM程序
• 4 强流脉冲离子束在材料中的能量分布
• 4.1 一维束流模型的建立
• 4.2 模拟结果与讨论
• 4.3 本章小结
• 5 强流脉冲离子束辐照后，材料内部的温度分布
• 5.1 一维热力学模型
• 5.2 差分格式
• 5.3 模拟结果讨论
• 5.4 不同的MID材料产生的辐照效果比较
• 5.5 本章小结
• 6 强流脉冲离子束辐照GaAs后，样品形貌分析
• 7 本文结论与展望
• 7.1 本文结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢