MeV離子轟擊碳樣品引起的碳氫團簇產額

劉 坤，鄭 濤，郭 猜，楊江燕，田繼挺，聶 銳，馬宏驥，丁富榮

(北京大學 物理學院 核科學與核技術國家重點實驗室，北京 100871)

二次離子質譜方法是進行表面材料分析的重要手段之一，其優點是可重復以及靈敏度和橫向分辨率高[1]。自發現C60和其他高原子數目富勒烯以來，碳基材料就受到了人們的關注[2]，近年來對碳納米管和石墨烯等的研究成為一個新的熱點[3]。碳基材料因其獨特的物理和化學性質，能有效克服輻照帶來的材料嬗變問題，具有很強的抗輻照特性[4]，越來越受到人們的關注。目前對于碳基復合材料抗輻射性能的研究還不是很充分，本文采用基于加速器的二次離子質譜研究帶電離子和碳納米管(CNT)材料的相互作用，以理解其在輻照過程中的物理機制。

1 實驗原理及裝置

使用2×1.7 MV串列靜電加速器產生的1.5 MeV Si+和Au2+作為入射初級束，用飛行時間譜儀測定樣品被轟擊后產生的二次離子。實驗中，初級離子束流的脈沖化通過給掃描極加脈沖電壓實現，脈沖化束流轟擊到靶上濺射出正負離子和中性粒子。給靶樣品加正高壓，被濺射出的正離子在電場加速下穿過接地柵網，到達MCP探測器。實驗布局如圖1所示，二次離子束與初級束夾角為45°，靶前方8 mm放置一個透過率為90%的柵網，用來引出二次離子。

圖1 實驗設備總體布局

掃描脈沖電壓前沿經甄別后作為起始時間，MCP接收到二次離子后產生的信號經快速前置放大器VT-120放大后通過前沿甄別確定離子漂移的停止時間，輸入多路定標分析器Turbo-MCS分析后即可得到二次離子總飛行時間譜。二次離子的飛行時間Ttotal與濺射出的二次離子相對原子質量M的平方根呈正比[5]：

(1)

式中，t與k只與束流能量和柵網電壓有關，對于同一實驗設置是不變的，通過幾個相對原子質量已知的元素定標得到t和k，然后對飛行時間譜進行反解，可得到未知二次離子的相對原子質量。

實驗中，束流脈沖化對束斑形狀的要求很高，通過采用對束流更敏感的CsI晶體作為熒光屏，替代通常觀察束流的石英玻璃熒光屏[5]，并采用低照度(<0.003 Lux)攝像機進行觀察，極大提高了對微弱束流的觀察能力，可實現對束斑形狀的精確調節。

2 數據分析

2.1 質量定標及二次離子產額分析

采用含鈉、鉀、銫等不同原子質量元素化合物混合的辦法制備標準樣品。實驗中使用同樣的束流和幾何條件獲得了待研究樣品和標準質量樣品的二次離子飛行時間譜。圖2所示為束流轟擊碳納米管后二次正離子和標準樣品原始譜的對比，圖中明確標出了氫、鈉、鉀、銫對應的4個峰，這樣就可在1～200的質量數范圍內實現對二次離子質量的定標。根據質量定標的結果，二次離子飛行時間譜可轉化為二次離子質量譜進行進一步分析。

圖2 束流轟擊后碳納米管和標準樣品的二次離子譜對比

圖3 Au2+轟擊碳納米管后二次離子質譜解譜結果

在扣除實驗測得的本底計數后，利用多高斯擬合的辦法分析Au2+轟擊碳納米管樣品后的二次離子質譜，解譜結果如圖3所示。相應的二次離子產額可通過對解譜后得到的高斯峰面積積分得到，二次離子成分和相對產額(二次離子產額與同時測得的碳離子產額之比)列于表1。

表1 Au2+轟擊碳納米管后二次離子的成分及相對產額比較

為研究不同離子束流引起碳基材料二次離子發射產額的規律，采用相同的實驗設置，研究1.5 MeV Si+轟擊相同碳納米管樣品的實驗結果，并將Au2+和Si+兩種束流轟擊后得到的相同二次離子組分的產額進行對比。為避免由加速器調束和恢復實驗設置引起的系統偏差，將二次離子相對產額進行對比，結果列于表2。

表2 Si+與Au2+轟擊碳納米管后二次離子相對產額的對比

2.2 討論

在使用不同束流轟擊后得到的二次離子質譜中，發現質量數較小的部分中含有在束流轟擊碳樣品實驗中常見的CmHn的手指結構[6]。飛行時間質譜的質量分辨好于一個質量單位，這樣即可明確區分質譜中不同數量的含碳團簇及其后緊隨的CmHn團簇。C1至C6離子簇均掛有大量H原子，C3、C5簇產額要高于C4及其含H碳簇，表明鏈狀C團簇中奇數團簇比相鄰偶數團簇更穩定，這與Pitzer等[7]關于碳團簇離子特性和結構理論計算中的奇偶規律符合。理論計算預言了環狀結構團簇能量低于鏈狀團簇[8]，實驗上觀察到的C6以上的大團簇均可能含部分環狀結構，其具體構型將在后續實驗中進行研究。

通過Au2+和Si+兩種束流轟擊樣品后得到的相同二次離子組分相對產額的對比，發現在束流總能量均為1.5 MeV的情況下，兩種束流的二次離子相對產額表現出一致的規律性，即Si+的二次離子產額普遍高于Au2+的二次離子產額(表2)。通過SRIM程序計算可知，1.5 MeV Si+在碳中的阻止本領為8.48 MeV·mg-1·cm2，1.5 MeV Au2+在碳中的阻止本領為12.7 MeV·mg-1·cm2。與通常所認為的阻止本領越大，能量沉積越大，濺射產額越高相背離。利用SRIM程序，針對這一現象進行進一步研究，圖4為程序計算結果。

圖4 碳中Si+與Au2+阻止本領和橫向歧離對比

從圖4可看到，Au2+阻止本領高于Si+阻止本領。動力學分析可得到較直觀的離子間相互作用，入射離子質量大于靶原子質量，碰撞后，由于靶原子獲得前向的動量，級聯碰撞引起的二次離子不易脫離靶物質。對兩種入射重粒子的橫向歧離進行分析，Si+與Au2+束流總能量為1.5 MeV，每核子能量分別為53.6 keV和7.6 keV。每核子能量為7.6 keV情況下，Si+和Au2+的橫向歧離分別為32 nm和24 nm(圖4中A)。此能量下Si+的橫向歧離和Au2+可比擬，但稍大。每核子能量為53.6 keV情況下，Si+的橫向歧離為102 nm(圖4中B)，遠大于每核子能量為7.6 keV情況下Au2+的橫向歧離。這是Si+離子的二次離子產額高于Au2+離子的主要原因，即橫向的級聯碰撞更易導致靶表面的離子濺射。通過比較文獻[9]中此能區Si+在Al、GaAs、GaP、SiO2靶上濺射的實驗數據可得到相同的結論。實驗中采用的束流入射角度為45°，這可使一部分接近樣品表面產生的二次離子獲得足夠的動能脫離靶物質，入射角的增大將對二次離子產額產生促進作用。

3 結論

通過使用標準樣品進行質量定標，將二次離子飛行時間譜轉換成質量譜進行分析。1.5 MeV Si+和Au2+轟擊碳納米管材料后可產生大量的不同組分的二次離子，通過對二次離子相對產額的分析研究，發現此能量下入射離子引起的二次離子發射產額與入射離子與靶物質作用過程中的橫向歧離正相關，即橫向歧離越大，二次離子產額越高。采用入射離子掠射的辦法可增加這一效應。

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