金纳米线的重离子辐照效应研究

发布时间：2018-01-14 14:05

本文关键词：金纳米线的重离子辐照效应研究　出处：《中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：过去,在重离子与块状材料的相互作用研究中,研究人员得到了大量的实验结果并建立了多种模型用以解释相关的实验现象,为解释材料中缺陷的产生和预测辐射中固体材料的性能变化提供了坚实的理论依据。现今,纳米科学的蓬勃发展促使纳米尺度材料渗透到各个领域,其中亦包括材料辐照领域。作为纳米材料家族中重要的成员,一维纳米材料因其巨大的长径比和较小的空间尺寸特性而得到广泛关注。一维纳米材料按照其结构可分为纳米带、纳米螺旋、纳米管和纳米线四种,其中纳米线是最常见的一维纳米材料。纳米线的一维结构特征使其在能量传输方面有着巨大的应用前景,可用于制作场发射器件、热电器件和光电器件等电子设备[1]。纳米线的结构也决定了其对热的传输与块体不同,热能在块体材料中由热源向材料四周扩散,但在纳米线中热能主要沿纳米线的轴向扩散,其小直径的对热传导的约束使热力学过程延长了。这种热能传输的差异,使得离子辐照在纳米线中产生的热效应与块体材料有所不同,因此,人们开始关注纳米线的重离子辐照效应。目前人们对于纳米线辐照效应的研究主要侧重于陶瓷、半导体和绝缘体纳米线材料[2],对于具有良好导电性的金属纳米线的辐照效应研究并不多,因此研究金属纳米线的辐照效应将有助于理解重离子与金属纳米材料的相互作用的基本过程,进一步揭示辐照损伤效应对一维纳米材料结构的影响。本文通过重离子径迹模板结合电化学沉积的方法制备出不同直径的金纳米线,并利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)表征所制备纳米线的表面形貌和晶体结构,获得辐照之前的金纳米线形貌和结构信息。利用中科院近代物理所的320kV高电荷态综合实验平台和兰州重离子加速器(HIRFL)提供的重离子对金纳米线进行辐照,完成了不同条件下(种类、能量、剂量和注量率)的纳米线辐照实验。通过对比辐照前后金纳米线的形貌和结构变化获得重离子辐照对金纳米线的辐照损伤,给出了不同直径的金纳米线损伤程度差异,以及离子注量率、种类和能量对金纳米线辐照损伤的影响。研究发现,能量为1.4至4 MeV的重离子束,在高注量率辐照的条件下,使金纳米线的表面变粗糙,并在表面形成了大量的凹坑和凸起结构,这些结构的形成与近表面的峰过程有关。重离子辐照还导致线表面被刻蚀并溅射出纳米尺度的金颗粒。此外,实验还发现相同辐照条件下,重离子在不同直径的金纳米线中引起的辐照损伤也有所差别;不同直径的金纳米线溅射的颗粒的平均尺寸随金纳米线直径的增大而增加。同时,在辐照后的纳米线中还观察到大量的层错四面体(SFT),其尺寸与入射离子在材料中的核能损正相关。能量为几百MeV的快重离子在金纳米线表面会产生较大的凸起颗粒,这些颗粒的粒径在十几至几十纳米的范围内,呈现出锥形和四面体形状。SRIM-2013模拟表明表面凸起颗粒的形成和快重离子在金纳米线中的电子能损有关。快重离子与金中的电子相互作用使电子电离或激发,这些获得能量的电子将通过电子-声子耦合的方式将能量传输给晶格上的金原子形成非弹性热峰导致金纳米线的局部熔化,熔融的金因为体积膨胀而溢出表面并在表面结晶后将形成凸起的颗粒。
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【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O614.123;TB383.1

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