离子束在表面光学波导制备和固液界面分析的应用研究

发布时间：2018-05-02 05:55

本文选题：离子辐照 + 光波导　；参考：《山东大学》2016年博士论文

【摘要】：离子束技术是一种十分重要的材料表面改性和材料表面分析技术,过去几十年里,在半导体产业、信息产业、医疗卫生产业等领域中涌现出许多与离子束相关的关键技术。对于材料表面的修饰及改性来说,由于载能离子束辐照是基于原子之间相互作用这种非平衡过程,具有辐照离子的能量和剂量可控性好、辐照时环境温度可控和束流方向性高,以及辐照材料的普适性等优点,越来越多地应用于材料的有控掺杂,纳米材料的性能调控,快重离子辐照制备纳米通道以及材料表层的性能调控等领域中。在材料表面分析领域,利用加速电场产生的载能束轰击材料表面,使载能离子与材料表面的原子发生相互作用,将能量传递至靶材料的原子核或核外电子上,可以激发材料本身的原子发出x射线、γ射线和二次粒子等次级辐射。而次级辐射具有发射源的特征,通过对次级辐射的相关检测,可以分析发射源材料的信息,从而有效地检测样品材料的成分、含量及其深度分布。同时,利用离子束在单晶材料内部的沟道效应能够很好地检测单晶材料的损伤深度分布。基于以上原理,人们设计了许多具有十分重要作用的表面分析技术,例如卢瑟福背散射/沟道分析、粒子激发X荧光分析、加速器质谱分析、核反应分析以及二次离子质谱等。本论文的工作依据离子束技术在材料表面改性和材料表面分析进行了研究和探索,论文的主要内容分为两部分。第一部分为光学材料表面折射率的调控：利用载能离子在光学晶体材料上制备一维光学波导,研究离子束辐照前与辐照后光学晶体材料的晶格结构损伤、光波导在可见和红外波段的波导传输特性等的相关变化；结合精密切割技术在光学晶体材料上制备了脊型光学波导结构,并研究其表面光学性质变化以及波导的相关特性。第二部分为材料表面分析：优化改进了“液体-真空界面分析系统”,利用飞行时间二次离子质谱与优化后的装置结合分析锂离子电池电极与电解液的交界面；优化原位液态二次离子质谱的实验条件,使原位液态二次离子质谱所得数据的信号强度充分满足测量和分析固液界面和液体-真空界面的要求。主要研究内容如下：1、光学波导是连接集成光路中各种基本元器件的光传输通道,是集成光路的重要基本组成部分。光波导利用全反射的原理,将光波限制在几微米厚的波导区域内传播,可以有效提高光的功率密度,有助于光子器件的小型化与集成化。集成光路在现代通讯、探测传感、医疗卫生和军事等领域发挥着越来越大的作用,具有重要的应用前景。同时在科研领域中,光波导中的激光效应、波导倍频、光学参量振荡和光孤子等概念均为国际上的研究热点。硅酸镧镓(La3Ga5Si014,简称LGS)晶体在激光应用领域中是十分优秀的稀土元素载体材料。我们利用快重离子辐照成功制备了能够在近红外波段承载光波传输的平面波导结构。采用共聚焦拉曼图谱表征其沿着离子径迹的晶格无序的分布情况并验证LGS晶体波导在近红外通讯波段(1539 nm)的光波传输情况。磷酸钛氧钾(KTiOPO4,简称KTP)被广泛应用于各种重要的集成光学领域。我们利用能量为H+离子辐照z切KTP晶体成功制备平面光波导。实验表明该波导在近红外波段下能够承载TM方向单导模模式并稳定传输光波,具有一定的潜在应用价值。铌酸锂(LiNbO3,简称LN)晶体是光电子领域内最重要的晶体材料。我们采用3.0 MeV的O+离子辐照,经过200℃地退火后,结合精密切割技术制备了二维脊型波导结构,研究了脊型波导在可见光波长范围内的光学特性和波导结构特性并测量其传播损耗。接下来的研究重点将放在进一步地利用离子束制备的平面或者脊型波导来实现集成光路的实际应用。2、随着手持设备的发展,人们对电池能量密度的需求越来越高,电极能量密度相对较高的Li金属电极电池受到了广泛的关注。从热力学角度讲,Li金属化学活性高,几乎与电解液中所有物质都发生反应,生成多种反应产物,在电解液中无法稳定存在。可是在实际应用情况中,Li金属能够在一部分有机的电解液中保持稳定,这是由于Li金属在刚刚接触电解液时就与电解液发生反应,在Li金属表面反应生成一层保护物质,杜绝Li金属与电解液的继续反应,这层保护物质被称为固体-电解质中间相界面膜或固体-电解质膜,即Solid Electrolyte Interphase膜,简称SEI膜。从分子层面上来说,液体表面,或者说液体与气体的交界面或者液体与固体的交界面,是区别于液体体相而存在的一种特殊形式。作为液体与固体交界面的一种,现有技术手段很难详细地表征和描述特定离子(例如Li+)在液体电解质中的迁移以及特定离子与电极交互的方式等问题。以此为背景,我们改进了“液体-真空界面分析系统”装置,使原位液态二次离子质谱技术能够应用于电池SEI膜的研究。我们采用目前应用较广的电池电解液(1 mol/L LiPF6溶于EC:DMC=1:2的混合溶液中),分别观测了在充放电前全新电池状态、充电完成状态以及放电完成状态下,正负离子在电池阳极表面的二次离子信息,并且以此来分析在锂离子电池中Li+离子在Li金属电极表面的分子结构演变。本实验设计能够直接提供实际应用状态下电极表面的分子信息,将在很大程度上影响电化学领域的相关工作,尤其会对在动态环境下固液界面的相关研究起到促进作用。同时,相关实验结果也会对电池性能优化研究提供重要的参考依据。在此基础上,探究不同电位条件下电池电极表面反应的状态和表面SEI层的实时变化则成为下一步研究的重点,相关研究结果可以进一步解释在何种电位状态下,Li+离子电池将形成SEI层,甚至探明SEI层形成过程中的动态化学成分演变。3、离子和分子在固液界面或者气液界面的分布和输运不仅在电化学领域具有十分重要的作用,同时在生物科学,环境科学、电催化和材料腐蚀等领域里也备受关注。尽管许多表征技术可以用于原位测量,例如原子力显微镜、荧光技术、拉曼、红外和表面等离子体共振等。但是,对于固液界面或者气液界面处的原位分子信息仍旧难以直接获得。借助原位液态二次离子质谱技术可以实现对固液界面和液体-真空界面的实时分析。然而,最初的相关研究结果只是提及了带负电的分子离子相关数据,这是由于正离子谱图太弱以至于无法得到有用的信息。同时,尽管负分子离子的信号能够被成功检测到,然而其信号强度仍旧不高。因此SIMS领域内一直对该技术的应用前景有所怀疑。为了提高正负离子的信号强度,我们选择了多种不同的初级离子束条件,针对四种不同的液态系统(基于DBU的离子液体、希瓦氏菌生物被膜,水环境小鼠肺C10细胞和一种锂离子电池常用电解液)进行了对比实验。最终确定原位液态二次离子质谱分析的推荐实验条件。在该推荐条件下所测液体的分子离子信号和特征峰信号与原来旧的条件相比可以提高约2个数量级,成功克服了之前有效信号强度极低的问题。优化后的条件可以用来研究多种水相溶液系统或非水相溶液系统,为原位液态二次离子质谱分析固液界面和液体-真空界面提供了一个可靠的实验条件。在有效提高原位液态二次离子质谱信号强度之后,二次离子质谱的质量分辨率较低就成为限制该方法广泛应用的主要因素,接下来的工作展开可以通过硬件或者软件两个方面来进行。首先硬件方面,最近许多新的二次离子质谱设备研发成功,使得高的质谱分辨率和空间分辨率成为可能,将新研发的设备同原位液态二次离子质谱相结合,就可以有效的提高质谱的质量分辨率。同时,从软件的角度出发,利用有效的信号拟合手段来分析探测器所获得的数据信号以及优化相关的数据处理方法,也可以有效的提高二次离子质谱的质量分辨率。以上两点也是接下来继续工作继续展开的有关内容以及重点。
[Abstract]:In the field of surface analysis of materials , the surface of the material can be excited by means of electron beam irradiation , which can be used in the fields such as semiconductor industry , information industry , medical and health industry .
A ridge - shaped optical waveguide structure is prepared on the optical crystal material by means of precise cutting technology , and the optical properties of the surface and the related characteristics of the waveguide are studied . The second part is the material surface analysis : the optimization improves the liquid - vacuum interface analysis system , and the interface between the lithium ion battery electrode and the electrolyte is analyzed by the combination of the time - of - flight secondary ion mass spectrometry and the optimized device ;
In the field of laser applications , the optical characteristics of the optical waveguide and the optical parametric oscillation and the optical soliton have been widely used in the field of laser applications . The experimental results show that the optical waveguide is a very important element in the field of laser applications . It is very difficult to characterize and describe the migration of specific ions ( e.g . Li + ) in liquid electrolyte and the way of interaction between specific ions and electrodes . the data signal obtained by the detector and the data processing method related to the optimization can be analyzed by using the effective signal fitting method , and the quality resolution of the secondary ion mass spectrum can be effectively improved .

【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN252;TM912

【参考文献】