牛書通 周旺2) 潘鵬 朱炳輝 宋涵宇 邵劍雄 陳熙萌

1)(蘭州大學核科學與技術學院,蘭州 730000)2)(中國核工業(yè)集團有限公司,中核龍瑞科技有限公司,嘉峪關 735100)(2017年11月20日收到;2018年4月17日收到修改稿)

1 引 言

隨著納米科技的發(fā)展,固體表面的納米結構受到了極大關注[1],同時利用各種材料制作納米尺度微孔成為可能.用快重離子輻照和化學蝕刻方法可以產生納米到微米尺度的不同形狀和材料的微孔[2?7],在此基礎上,離子與微孔相互作用的實驗也隨之展開.Stolterfoht等[8]在2002年發(fā)現了低能離子在微孔膜中的導向效應.他使用3 keV的Ne7+離子以一定傾斜角度入射絕緣納米微孔膜,發(fā)現出射離子幾乎都是沿著孔道軸向方向出射且保持電荷態(tài)不變,實驗研究發(fā)現微孔內壁形成的自組織電荷斑[9?12]抑制入射離子與微孔內壁碰撞并使入射離子沿著孔的軸線方向出射.隨后,Vienna研究組[13?16]從理論方面詳細研究低能離子的導向機制,電荷斑擴散和漂移模型解釋了微孔內壁的自組織電荷斑的形成過程.同時電子[17]和負離子[18,19]在微孔膜中輸運過程也得到了研究,盡管電子和負離子在微孔膜中傳輸機制與正離子不同,在實驗研究中同樣發(fā)現了導向效應.

高能區(qū)(MeV)離子在微孔中輸運過程同樣得到研究[7,20,21],在實驗過程中沒有發(fā)現入射離子的導向效應,即電荷的沉積對MeV量級入射離子穿過微孔沒有影響.Hasegawa等[21]利用二體盧瑟福散射模型計算出傳輸粒子的軌跡和能量分布,發(fā)現大部分入射離子直接進入錐形管內壁表面以下發(fā)生多次隨機非彈性碰撞過程并沉積到微孔內壁以下,小部分離子不得不沿錐形管的軸向方向出射.MeV量級的離子在微孔中輸運特征主要為微孔表面以下的多次隨機非彈性碰撞.

在中間能區(qū),我們分別測量了我們發(fā)現的20 keV[22]和100 keV[23]質子在入射傾斜角為1°的聚碳酸酯(PC)微孔膜中的輸運過程,對于20 keV質子入射傾斜角為1°的PC微孔膜時,出射氫原子由束流方向尖峰和孔軸方向的主峰構成,并且主峰角度基本保持不變而尖峰逐漸消失,主要輸運機制為微孔內表面以下的多次隨機非彈性碰撞和近表面鏡像散射兩種傳輸方式逐步向電荷斑約束下的導向效應過渡的過程[22];對于100 keV質子入射傾斜角為1°的PC微孔膜時,出射粒子的峰位由微孔的軸向方向逐步偏轉到入射束流方向,主要輸運機制為微孔內電荷斑輔助的表面以上的鏡面散射行為[23].

以上關于中能離子在微孔中的輸運過程的研究只關注傾斜角度為1°的輸運特性,缺少微孔膜在不同傾斜角度下輸運特性的對比.當離子入射不同傾斜角度的微孔膜時,入射離子的橫向分量是不同的,此時入射離子在微孔膜中的傳輸特性會有哪些不同,還需要對中能離子在不同傾斜角度的微孔膜輸運特性進行研究.

本工作系統(tǒng)測量了30 keV的He2+離子入射傾斜角度為?0.5°,?1°,?1.5°和?2.5°的PC絕緣微孔膜后出射粒子角分布,電荷態(tài)分布及穿透率隨時間的演化特性.發(fā)現微孔膜處于不同傾斜角度的情況下實驗過程中的演化過程是不同的.當微孔膜的傾斜角度為?0.5°,?1°和?1.5°時,出射He2+中心角度始終保持在入射束流方向,出射He的中心角由微孔孔道方向逐漸向入射束流方向演化的特性,并在實驗過程中觀測到出射粒子電荷態(tài)分布和穿透率的時間演化過程.當傾斜角度為?2.5°,出射粒子角分布、出射粒子電荷態(tài)分布和穿透率沒有發(fā)現時間演化效應.本實驗的目標是為了進一步從細節(jié)上研究離子與不同傾斜角度的微孔膜相互作用的動力學過程.

2 實驗技術

圖1 實驗裝置示意圖 (a)對于傾斜角和出射角的定義;(b)PC微孔膜的掃描電子顯微成像;(c)實驗所獲得的二維譜圖Fig.1.Schematic diagram of the experimental setup:(a)De finitions of the tilt angle φ and the outgoing angle θ;(b)SEM image of the PC membrane;(c)typical 2D spectrum obtained in the experiment.

本文實驗是在中國科學院近代物理研究所320 kV高電荷態(tài)離子綜合研究平臺上開展的,實驗裝置如圖1所示.由14.5 GHz電子回旋共振離子源產生束流強度為500 pA的30 keV He2+離子經過兩片1.5 mm×1.5 mm光欄準直后,入射束流的發(fā)散度小于0.12°,轟擊位于靶室中央的PC微孔膜上.靶室的真空穩(wěn)定在10?6Pa.在微孔膜前的靜電偏轉板調節(jié)束流相對于膜表面的仰角以確保其在仰角方位上垂直入射.微孔膜的傾斜角度通過調節(jié)精度為0.1°的調角器,使微孔膜繞豎直軸旋轉而得到,圖1(a)中給出了微孔膜傾斜角和離子出射角的定義,微孔膜傾斜角是入射離子方向與微孔膜法線的夾角,出射角為出射粒子方向與入射束流方向的夾角.出射粒子經由薄膜后的靜電偏轉板沿著豎直方向進行電荷態(tài)分離,之后被距微孔膜后方30 cm處的二維微通道板探測器記錄.圖1(c)為典型的二維譜圖,上束斑為He2+,下束斑為He0,He2+與He0彼此分離開來,實驗中本底較低.實驗中微孔膜的孔密度為108cm?2,厚度為30μm,微孔直徑為200 nm(深寬比150:1,對應的幾何張角為0.38°),圖1(b)為微孔膜的電子顯微成像,微孔呈現圓形并且沒有發(fā)生重疊現象,彼此間分離的距離遠大于微孔直徑[24].

3 實驗結果

在這一部分,將展示30 keV的He2+離子入射不同的傾斜角度的PC絕緣微孔膜后出射粒子的角分布、電荷態(tài)分布以及穿透率的時間演化,并將會對實驗結果給出定性的分析.

圖2 30 keV的He2+入射傾斜角度為?1°的PC微孔膜得到的二維分布圖以及He2+和He0在x軸方向上的投影 (a),(b),(c)分別代表實驗剛開始階段、平衡建立階段以及達到平衡后的二維分布圖;(d),(e)分別為He2+束斑和He0束斑在x軸方向的投影圖,黑線,紅線和藍線分別代表圖(a),(b)和(c)的投影數據,其中綠虛線表示束流方向,橙虛線表示導向方向Fig.2.Typical two-dimensional spectrum and the projections of He2+and He0in the x-axis direction of the transmitted particles after 30 keV He2+pass through the PC microporous membrane with a tilt angle of?1°.2D spectra are recorded at the beginning stage(a),build up stage(b),and reached stage(c).The projections of the 2D spectra of He2+(d)and He0(e)along the x-axis direction.The black,red,and blue solid lines represent the projection data in Figs.(a),(b),and(c).The green dash dot lines and orange dash dot lines represent the beam direction and guiding direction,respectively.

以束流強度為500 pA的He2+入射傾斜角度為?1°的微孔膜為例,圖2(a)—(c)分別是在實驗開始階段、平衡建立中以及達到平衡后出射粒子的二維分布圖.圖2(d)和圖2(e)中是圖2(a),圖2(b)和圖2(c)中He2+和He0粒子的二維分布圖在x軸方向上的投影.

在實驗開始階段,見圖2(a),出射He2+的角度分布在0°,即入射束流的方向;出射He0的角度分布在?1°,即微孔孔道的方向,并且出射粒子呈現很好的高斯型分布.He0的計數明顯高于He2+,這意味著出射粒子中He0的比例占絕對的主導地位.隨著微孔沉積電荷的增加,見圖2(b),下束斑He0的計數逐步減少,而上束斑He2+的計數在顯著增大,出射He2+的角度分布仍保持在入射束流的方向,而出射He0的角度分布慢慢偏向入射束流方向.在充放電平衡后,見圖2(c),出射He2+和He0的角度分布都在入射束流的方向,同時可以看到He0的x方向投影有拖尾現象,見圖2(e).以上的二維分布圖表明:隨著充電的進行,孔內壁沉積的電荷斑能夠明顯抑制30 keV He2+離子在微孔膜內壁進行了電荷交換,越來越多的He2+從入射束流方向出射,而He0粒子則由剛開始的微孔孔道方向逐漸移動至入射束流方向,這一現象與之前發(fā)現的導向效應不同.

為了研究這一特性產生的原因,我們進一步測量了30 keV He2+入射處于不同傾斜角的PC絕緣微孔膜后出射粒子角分布、電荷態(tài)分布以及穿透率的時間演化.

圖3給出了束流強度在500 pA,He2+離子入射處于不同傾斜角度微孔膜時,出射粒子中心角分布隨時間的演化.當微孔膜傾斜角為?0.5°(圖3(a)),?1°(圖3(b))和?1.5°(圖3(c))時,He2+的中心角方位不隨傾斜角度變化,始終保持在入射束流的方向;對于出射He0原子,在實驗剛開始階段出射方向分別保持在?0.5°,?1°和?1.5°,即微孔孔道方向.隨著微孔內部充電的進行,He0原子出射方向逐步偏向入射束流方向.當微孔的傾斜角為?2.5°(圖3(d))時,He2+的中心角方位保持在入射束流的方向,He0的出射中心角始終保持在?2.9°附近,即在微孔孔道方向附近,并且在整個測量過程中沒有觀測明顯的偏轉變化過程.

圖3 在PC微孔膜的傾斜角度不同的情況下,出射粒子角分布隨時間的演化 (a)傾斜角度為?0.5°;(b)傾斜角度為?1°;(c)傾斜角度為?1.5°;(d)傾斜角度為?2.5°;其中綠虛線表示束流方向,而橙虛線表示導向方向Fig.3.Time evolution of the centroid angle of the transmitted particles with different tilt angles of PC microporous membrane:(a)?0.5°tilt angle;(b)?1°tilt angle;(c)?1.5°tilt angle;(d)?2.5°tilt angle.The green dash dot lines and orange dash dot lines represent the beam direction and guiding direction,respectively.

圖4給出了微孔膜處于不同傾斜角度時,出射粒子電荷態(tài)分布隨時間的演化.當微孔膜傾斜角為?0.5°(圖4(a)),實驗開始時,He0占出射粒子的絕大部分,而He2+占比很小.隨著微孔內部充電的進行,He0的比例逐漸減小,而He2+逐漸增加,最后出射He2+份額維持在60%,即微孔內部形成電荷斑抑制了He2+與微孔內部原子之間電荷交換,使越來越多的He2+保持原電荷態(tài)出射.在微孔膜的傾斜角度分別為?1°(圖4(b))和?1.5°(圖4(c)),He2+的變化趨勢與?0.5°的變化趨勢基本一致.在充放電平衡以后He2+的份額分別為52%和55%.對于傾斜角度為?2.5°時(圖4(d)),He0和He2+的電荷態(tài)分布變化不明顯,分別維持在95%和5%左右.這是由于傾斜角度過大,He2+入射到微孔膜時大部分轉變?yōu)镠e0,同時微孔內部電荷斑不能克服入射離子的橫向動量,導致He2+不斷入射微孔內表面以下,因此實驗中未觀察到電荷態(tài)分布變化.

圖4 在PC微孔膜的傾斜角度不同的情況下,出射粒子電荷態(tài)分布隨時間的演化 (a)傾斜角度為?0.5°;(b)傾斜角度為?1°;(c)傾斜角度為?1.5°;(d)傾斜角度為?2.5°Fig.4.Time evolution of charge purity of the transmitted particles with different tilt angles of PC microporous membrane:(a)?0.5°tilt angle;(b)?1°tilt angle;(c)?1.5°tilt angle;(d)?2.5°tilt angle.

圖5 在PC微孔膜的傾斜角度不同的情況下,出射粒子相對穿透率隨時間的演化 (a)傾斜角度為?0.5°;(b)傾斜角度為?1°;(c)傾斜角度為?1.5°;(d)傾斜角度為?2.5°Fig.5.Time evolution of relatively transmission rate of the transmitted particles with different tilt angles of PC microporous membrane:(a)?0.5°tilt angle;(b)?1°tilt angle;(c)?1.5°tilt angle;(d)?2.5°tilt angle.

圖5為微孔膜處于不同傾斜角度時出射粒子相對穿透率隨時間的演化特性.對于微孔膜的傾斜角度為?0.5°(圖5(a))時,出射粒子的相對穿透率由40%,先快速達到最大值,然后開始減小,這是由于阻塞效應造成的[25],微孔入口處過強的電荷斑將會適度減弱離子進入微孔的概率,最后穩(wěn)定在60%. 對于?1°(圖5(b))和?1.5°(圖5(c)),粒子相對穿透率都是先快速增加后又緩慢增加的過程,而沒有發(fā)生阻塞效應,相對穿透率分別穩(wěn)定在55%和20%.對于?2.5°(圖5(d)),相對穿透率沒有發(fā)現時間演化,在整個測量過程中一直維持在極低的1%左右.

對于30 keV的He2+入射處于不同傾斜角度的PC膜,在小角度的情況下(微孔膜的傾斜角度為?0.5°,?1°和?1.5°),出射He2+中心角度始終保持在入射束流方向,出射He0的中心角由微孔孔道方向逐漸向入射束流方向演化的特性,并在實驗過程中觀測到出射粒子電荷態(tài)分布和穿透率的時間演化過程.對于大角度情況下(傾斜角度為?2.5°),出射粒子角分布、出射粒子電荷態(tài)分布和穿透率沒有發(fā)現時間演化效應.

4 結果討論

為了更好地理解30 keV He2+在不同傾斜角度的微孔膜中的輸運機制,我們對He2+離子在傾斜角度為?1°的微孔內傳輸特性進行定性描述,如圖6所示.

對于30 keV的He2+離子在傾斜角度為?1°的微孔內傳輸時,入射He2+離子的橫向分量為9 eV.當實驗開始時入射He2+直接入射到PC微孔表面以下,并與微孔表面以下原子發(fā)生隨機碰撞,He2+從微孔內靶原子中獲得電子轉變?yōu)橹行曰腍e0,微孔內表面沉積正電荷.大部分中性化的He0經過多次與靶原子的碰撞后沉積在微孔內表面以下;同時小部分的He0與表面以下的靶原子發(fā)生多次的隨機二體碰撞,逐漸忘記其初始的入射軌跡和電荷態(tài),最終不得不沿著微孔孔道方向出射,出射He0的分布基本為對稱高斯型,中心方向為微孔孔道方向,出射He0的半高全寬遠大于微孔的幾何張角,如圖6(b)所示.只有極少部分的He2+離子在微孔表層原子的短程集體散射的作用下以兩次類似鏡面掠射的方式出射,出射He2+離子占很小一部分,出射方向為入射束流方向,如圖6(a)所示.

隨著He2+的不斷入射,微孔內沉積電荷斑逐步形成,在電荷斑的庫侖排斥作用下使得He2+離子和微孔內表面之間的電荷交換受到抑制,越來越多的He2+離子通過第一個電荷斑的庫侖排斥作用并使He2+軌跡發(fā)生偏轉進入微孔后半部分,同時在微孔后半部分在第二個電荷斑庫侖排斥作用和微孔表面原子集體散射作用下以類似鏡面掠射方式從入射束流的方向出射,使He2+的電荷態(tài)純度和相對穿透率顯著增加,即在微孔內壁電荷斑平衡后,出射He2+沿入射束流方向出射,如圖6(c)所示,同時一部分He2+離子經過一次類似鏡面掠射后再次進入微孔內表面發(fā)生電荷交換變?yōu)镠e0,并以類似鏡面掠射的方式反射出去,最終沿著入射束流方向出射;小部分He0會穿入表面以下完成多次的隨機二體碰撞,從而沿著微孔孔道方向出射,出射He0分布將表現為沿著入射束流方向出射的大高斯峰和位于微孔孔道方向的小高斯峰的疊加,即B線附近的高斯峰以及G線附近的肩膀,如圖6(d)所示.

微孔膜的傾斜角為?0.5°,?1°和?1.5°時,He2+仍會以類似鏡面掠射的形式沿束流方向出射,?0.5°情況與之前所述?1°情況類似,不同的是在微孔內部形成沉積電荷斑的位置與?1°不同,而對于?1.5°入射情況而言,電荷斑增加為4個,即入射離子經過4次類似鏡面掠射后沿束流方向出射.通過計算當微孔膜的傾斜角度在?0.5°,?1°和?1.5°,30 keV的He2+的橫向分量分別為2.3,9 eV和20 eV.隨著微孔膜傾斜角度的增加,在微孔內部需要沉積更多的電荷才能克服入射離子的橫向動量,使出射離子最終的電荷態(tài)分布和相對穿透率隨入射角度增加而減小.當微孔膜傾斜角度在?0.5°,?1°和?1.5°時,主要傳輸機制為電荷斑輔助的表面以上的類似鏡面掠射行為.

圖6 離子在微孔中傳輸過程示意圖 其中圖(a)和(c)分別為實驗剛開始和到達平衡后He2+離子的傳輸軌跡,(b)和(d)分別為實驗剛開始和到達平衡后He0的傳輸軌跡,右側對應每種情景的出射粒子在x方向投影譜圖,傾斜角度為?1°Fig.6.Schematic diagram of ions transmission process in the nanocapillaries.Transmission trajectories of He2+in the initial experimental stage(a)and balanced stage(c).Transmission trajectories of He0in the initial experimental stage(b)and balanced stage(d).Projections of the transmitted particles in thexaxis direction for these 4 scenarios are shown on the right with?1°tilt angle.

而當微孔膜傾斜角增加到?2.5°時,30 keV的He2+的橫向分量為57 eV.入射He2+在孔道內形成的電荷斑數量都會增加,可能前幾塊電荷斑還能夠“托起”He2+使其接近表面發(fā)生類似鏡面掠射,但之后碰撞形成的電荷斑不能克服這么大的橫向動量,幾乎所有的He2+都會進入表面以下,中性化后的He0經過無規(guī)則的隨機碰撞沿孔道軸向方向出射,只有極少部分的He2+能夠在表面經過數次的類似鏡面掠射行為,基本沿入射束流方向出射,不能觀測到明顯的時間演化過程.當微孔膜傾斜角度在?2.5°時,主要傳輸機制為表面以下的多次隨機非彈性碰撞過程.

5 結 論

測量了30 keV的He2+離子入射處于不同傾斜角的PC絕緣微孔膜后出射粒子特性的時間演化,發(fā)現無論微孔膜的傾斜角如何變化,出射的He2+都是在電荷斑輔助下經過近表面類似鏡面掠射并沿束流方向出射;在微孔膜傾斜角為?0.5°,?1°和?1.5°,隨著微孔內部的電荷斑的形成,He0的出射中心角方位會呈現由微孔孔軸方向轉向入射束流方向的特性,此外還觀測到了顯著的電荷交換現象.在傾斜角度為?2.5°時,He0的出射方位始終保持在孔道方向,沒有時間的演化效應.即在小角度(?0.5°,?1°和?1.5°)時,微孔內部沉積的電荷斑的庫侖排斥作用和微孔內表面原子的短程集體散射力作用克服入射離子的橫向動量,使入射離子在微孔近表面經過數次類似鏡面掠射后出射,并發(fā)生時間演化效應,主要傳輸機制為電荷斑輔助的表面以上的類似鏡面掠射行為;在大角度(?2.5°),沉積的電荷斑很難克服入射離子的橫向動量,沒有時間演化效應,主要傳輸機制為表面以下的多次隨機非彈性碰撞過程.對于幾十keV的低電荷態(tài)離子在微孔中的軌跡主要受到表層原子集體散射作用,而電荷斑的貢獻為通過抑制電荷交換從而增加表面掠射概率,在兩種效應共同作用下使得He2+得以保持入射方向和電荷態(tài)出射,該過程受到入射角度的影響.

感謝中國科學院近代物理研究所320 kV高電荷態(tài)離子物理實驗平臺上的員工為我們提供高品質穩(wěn)定的離子束.