（材料学专业论文）fe注入αal2o3、co注入单晶硅注入态与退火态的微结构研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 离子注入作为一种高效的材料表面改性技术，被广泛地应用于改善材料表面的物 理、化学和机械性能。离子注入a a 1 2 0 3 陶瓷具有优越的力学性能，所以常常被用做结 构材料。近年来，人们还发现f e 离子注入i x a 1 2 0 3 陶瓷具有优越的磁学性能，将来可能 被用做新一代的数据存储介质。另外，离子注入技术还用来制备c o s i 2 埋层，这种金属 硅化物埋层有望成为集成电路中新一代的欧姆接触和互联引线。但是对于注入后的 i x a 1 2 0 3 陶瓷和单晶硅样品，目前在微结构上的认识还是非常有限的，而材料的微结构 决定材料的性能和应用，所以对离子注入样品的微结构进行深入地研究是非常有必要。 本文利用透射电镜对f e 注入q a 1 2 0 3 原始注入态、还原气氛下退火态和氧化气氛下 退火态的微结构进行了研究，另外还对c o 注入单晶硅原始注入态和真空退火态的微结 构进行了研究。得到的主要结论如下： 在低注量( 1 x 1 0 1 6 i o n s c m 2 ) f e 注入i x a 1 2 0 3 单晶原始注入态样品中，没有析出q f e 颗粒，注入区存在着高浓度晶体缺陷，但q a 1 2 0 3 基体仍保持单晶结构。在高注量 ( 1 x 1 0 1 7 i o n s c m 2 ) 样品中，析出了l 3 n m 的小颗粒。结合m c h a r g u e 等人穆斯堡尔谱 分析结果，我们认为析出相是0 【f e 颗粒。注入区存在着浓度更高的晶体缺陷，i x a 1 2 0 3 基体仍保持单晶结构。 对f e 注入口a 1 2 0 3 单晶在还原气氛下进行退火处理后，仅a 1 2 0 3 基体中生成q - f e 颗 粒。仅f e 颗粒与q a 1 2 0 3 基体具有如下的取向关系： ( 1l1 ) 小f e # ( o 0 0 0 s a p p h i r e 和【11o 小f e ii20 】s a p p h i 咒 这与o h k u b o 等人的实验结果是一致的。其中，少量的q f e 颗粒偏离该取向关系，最大 偏离角小于3 0 。大的a f e 颗粒具有两种典型的轮廓：一些q f e 颗粒的轮廓是由 c 【a 1 2 0 3 ( 0 0 0 1 ) 、 1 120 ) 和 2 1 13 ) 晶面构成；另一些0 【- f e 颗粒的轮廓是由i x - a 1 2 0 3 ( 0 0 0 1 ) 、 1 120 ) 、 21 13 ) 和 21 19 ) 晶面构成。利用倒空间近重位点阵分析表明，在a f e 和 0 【a 1 2 0 3 体系中，上式所表示的取向关系是最有利的，而该体系中观察到的另一取向关 系： ( 1 1 0 ) 口f e ( 0 0 0 1 ) s a p p h i 他和 a f c s a p p h i 嵋 被证明是次有利取向关系。 对f e 注入a a 1 2 0 3 单晶在氧化气氛下进行退火处理后，在a a 1 2 0 3 基体表面出现了 两种析出相：a f e 2 0 3 析出相和尖晶石析出相。q f e 2 0 3 析出相与i x - a 1 2 0 3 基体具有下面 f e 注入a a 1 2 0 3 、c o 注入单品硅注入态与退火态的微结构研究 的取向关系： o 0 0 1 a f 。2 0 3 【0 0 0 1 s a p p h i 陀和( 1 12 0 ) a f e 2 0 3 ( 1 12 0 ) s 印p h i 他 岛状a f e 2 0 3 析出相的三维轮廓是由两个c t - f e 2 0 3 ( 0 0 0 1 ) 晶面和六个旺- f e 2 0 3 1 0 1 2 晶面 构成的。0 【f e 2 0 3 析出相与q a 1 2 0 3 基体的界面属于半共格界面。沿a a 1 2 0 3 11 0 0 晶向 观察，a f e 2 0 3 ( 0 0 0 1 ) a a 1 2 0 3 ( 0 0 0 1 ) 界面失配位错的柏氏矢量分量是1 6 1 1 120 刚i r c 。沿 a a 1 2 0 3 1 1 2 0 】晶向观察，界面失配位错的柏氏矢量分量是1 2 1 1 1 0 0 s a p p h i 咒。 尖晶石析出相与伍a 1 2 0 3 基体具有两种取向关系，其中一种是尖晶石相与a a 1 2 0 3 之间普遍存在的取向关系： ( 1 1 1 ) s p i n e i ( 0 0 0 1 ) s a p p h i 佗和【1 12 】s p i n c l 【l l2 0 】s a p p h i f c 另外一种是在s p i n e l a a 1 2 0 3 体系中首次被发现的取向关系： ( 1 l2 ) s p i n e l i ( 0 0 0 1 ) s a p p h i 佗和【1 i l 。p i n e i 【1 12 0 】s a p p h i 佗 尖晶石析出相与0 【a 1 2 0 3 基体的界面属于非共格界面。 在c o 注入单晶硅原始注入态样品中观察到了c o s i 2 析出相，并且c o s i 2 析出相与单 晶硅具有下面的取向关系： 1 1 0 c o s i 2 【1 1 0 s i 和( 2 2 0 ) c o s i 2 ( 2 2 0 ) s i c o s i 2 析出相六边形轮廓的边平行于s i 0 0 1 ) 晶面和s i 111 晶面。同时在注入末端区域 观察到了大量的 1 1 3 ) 缺陷及缺陷初始生成阶段的高分辨像。退火过程使得原始注入态 下大量的小c o s i 2 析出相合并成大的c o s i 2 析出相，没有形成连续的c o s i 2 埋层。 关键词：单晶伍a 1 2 0 3 ；单晶硅：离子注入；透射电子显微术 m i c r o s t r u c t u r eo f f e i m p l a n t e ds a p p h i r ea n dc o i m p l a n t e ds i l i c o n ( a s i m p l a n t e ds a m p l e sa n da n n e a l i n gs a m p l e s ) a b s t r a c t i o ni m p l a n t a t i o ni sa ne f f e c t i v e t e c h n i q u et om o d i f yt h ep h y s i c a l ，c h e m i c a la n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fm a t e r i a ls u r f a c e l a y e r i o n i m p l a n t e ds a p p h i r eh a se x c e l l e n t m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，w h i c ho f t e ns e r v e sa ss t r u c t u r a lc e r a m i c i nr e c e n ty e a r s f e i m p l a n t e d s a p p h i r eh a sb e e nf o u n dt oh a v ee x c e l l e n tm a g n e t i cp r o p e r t i e s ，w h i c hm a ys e r v ea s d a t a 。s t o r a g em e d i u mi nt h ef u t u r e i o ni m p l a n t a t i o nh a sa l s ob e e nu s e dt of o r mb u r i e dc o s i ， l a y e r s ，w h i c hm a ys e r v ea san e wg e n e r a t i o ni n t e r c o n n e c tl e a d i n gw i r ei ni n t e g r a t e dc i r c u i ti n t h ef u t u r e b u tt h em i c r o s t r u c t u r eo fi o n - i m p l a n t e ds a p p h i r ea n ds i l i c o nh a sb e e nu r l d e r s t o o d n o t c l e a r l ye n o u g h a tp r e s e n t s i n c em i c r o s t r u c t u r e so fm a t e r i a l sd e c i d e p r o p e r t i e so f m a t e r i a l s ，i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h em i c r o s t r u c t u r eo fi o n i m p l a n t e ds a m p l e s d e e p l y m i c r o s t r u c t u r eo ff e - i m p l a n t e d s a p p h i r e a n d c o i m p l a n t e d s i l i c o n ( a s i m p l a n t e d s a m p l e sa n da n n e a l i n gs a m p l e s ) i si n v e s t i g a t e db yt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y t h e p r i m a r yc o n c l u s i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： n o0 【- f ep a r t i c l e sp r e c i p i t a t ei ns a p p h i r ei m p l a n t e dw i t h1 10 16f ei o n s c m 2a n dt h e r e i s h i g h - d e n s i t yd e f e c ti ni m p l a n t e dz o n e ，b u tt h ei m p l a n t e dl a y e rh a st l l ec r y s t a l l i n en a t u r e i n s a p p h i r ei m p l a n t e dw i t hlxlo 1 7 f ei o n s c m 2t h e r ea r em a n ys m a l lp a r t i c l e sa b o u tl 3a m w h i c hs h o u l db ei x - f ec o n s i d e r i n gt h em 6 s s b a u e rr e s u l t s ，a n dt h ed e f e c t r i c hi m p l a n t e dl a y e r s t i l lh a st h ec r y s t a l l i n en a t u r e i ns a p p h i r ei m p l a n t e dw i t hi r o na n da n n e a l e di na r e d u c i n ga t m o s p h e r et h ei m p l a n t e df e i o n sp r e c i p i t a t ea st h ei x f e p a r t i c l e s m o s to ft h e0 【f ep a r t i c l e sh a v et h eo r i e n t a t i o n r e l a t i o n s h i p ( o r ) o f ( 1l1 ) a f e ( 0 0 0 1 ) s a p p h 沁a n d 【11o - f e # 【112o s 印p h 的w i t hs a p p h i r e ， w h i c hw a sa l s od i s c o v e r e db yo h k u b oe ta 1 o n l yas m a l lq u a n t i t yo ft h ea f ep a r t i c l e sh a v e t h ed e v i a t i o nf r o mt h i so ra n dt h em a x i m u md e v i a t i o ni s l e s st h a n0 t h el a r g ea - f e p a r t i c l e sc l e a r l yh a v ef a c e t e do u t l i n e s t w ot y p i c a lo u t l i n e sh a v eb e e no b s e r v e d o n eo u t l i n e c o n s i s t so f o 0 0 1 ， 1120 ) a n d 21 13 ) o f s a p p h i r e t h eo t h e ro u t l i n ec o n s i s t so f 0 0 0 1 ， 112o ) ， 21 13 ) a n d 2119 ) o fs a p p h i r e t h ec o i n c i d e n c eo fr e c i p r o c a ll a t t i c ep o i n t s i i i f e 注入a a 1 2 0 3 、c o 注入单晶硅注入态与退火态的微结构研究 m e t h o dh a sb e e nu t i l i z e dt oc o n f i r mt h a tt h eo ra b o v ei sp r e f e r r e di nt h ea - f e s a p p h i r e s y s t e ma n da n o t h e ro ro f ( 1 l o ) a f c ( 0 0 0 1 ) s a p p h i 限a n d 旺f e h s a p p h i r er e p o r t e d b e f o r ei st h es e c o n d a r y p r e f e r r e do r i e n t a t i o n i ns a p p h i r ei m p l a n t e dw i t hi r o na n da n n e a l e di na no x i d i z i n ga t m o s p h e r et h ei m p l a n t e d f ei o n sp r e c i p i t a t ea sa - f e 2 0 3i s l a n d sa n ds p i n e li s l a n d so nt h es p e c i m e ns u r f a c e t h ea - f e 2 0 3 i s l a n d sh a v et h eo r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i po f 【0 0 01 f e 2 0 3 【0 0 01 s a p p h i 咒a n d ( 1120 ) a f e 2 0 3 ( 112o ) s a p p h i 佗w i t hs a p p h i r e t h et y p i c a lo u t l i n eo fa - f e 2 0 3i s l a n d sc o n s i s t so ft w o ( 0 0 01 ) a n d s i x 10 12 ) p l a n e so fa - f e 2 0 3 t h ei n t e r f a c e sb e t w e e na - f e 2 0 3i s l a n d sa n ds a p p h i r ea r e s e m i c o h e r e n t w h e ni m a g e da l o n gt h e 110 0 s a p p h i 陀d i r e c t i o n ，t h ep r o j e c t e db u r g e r sv e c t o ri s d e t e r m i n e dt ob e 1 6 1112o 】s a p p h i 咿w h e ni m a g e da l o n gt h e 【112o 】s a p p h i 佗d i r e c t i o n ，t h e p r o j e c t e db u r g e r sv e c t o ri sd e t e r m i n e dt ob e1 2 111 0 0 s a p p h i r e t w oo r sb e t w e e nt h es p i n e li s l a n d sa n ds a p p h i r es u b s t r a t eh a v eb e e nd i s c o v e r e d o n ei s ( 1 1 1 ) s p i n e i ( o 0 0 1 ) s a p p h 晌a n d 1 12 】s p i n e l 【1 12 0 s a p p h i 佗，w h i c h i sc o n s i s t e n tw i t ht h em o s t c o m m o no rb e t w e e ns p i n e la n ds a p p h i r e t h eo t h e ri s ( 112 ) s p i n e l ( 0 0 0 1 ) s a p p h i 咒a n d 【111 s p i n e i 112o 】s a p p h i 佗，w h i c hi sd i s c o v e r e df o rt h ef i r s tt i m e t h ei n t e r f a c e sb e t w e e nt h e s p i n e li s l a n d sa n ds a p p h i r es u b s t r a t ea r e a ni n c o h e r e n ti n t e r f a c e i ns i l i c o ni m p l a n t e dw i t hc ot h e r ea r em a n ys m a l lc o s i 2p r e c i p i t a t e sa n dt h ec o s i 2 p r e c i p i t a t e sh a v et h eo r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i po f 【110 c o s i 2 【110 s ia n d ( 2 20 ) c o s i 2 ( 220 ) s i 州t hs i l i c o ns u b s t r a t e t h eo u t l i n eo fh e x a g o n a lc o s i 2p r e c i p i t a t e sc o n s i s t so f 0 01 ) a n d 111 ) p l a n e so fs i l i c o n a tt h es a m et i m et h e r ea r em a n yr o d l i k e 113 ) d e f e c t sa n ds o m es i i n t e r s t i t i a l sc l u s t e r sc o r r e s p o n d i n gt ot h ei n i t i a lc o n f i g u r a t i o no f 113 ) d e f e c t sa tt h e e n d - o f - r a n g ed a m a g ez o n e w i t ha n n e a l i n gi nv a c u u mt h es m a l lc o s i 2p r e c i p i t a t e sd o n tf o r m t h ec o n t i n u o u sb u r i e dc o s i 2l a y e r s ，b u tf o r ml a r g ec o s i 2p r e c i p i t a t e s k e yw o r d s ：s a p p h i r e ；s i n g l ec r y s t a ls i l i c o n ；i o ni m p l a n t a t i o n ；t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y i v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， m - - 一一一0 卜一一 ) 原子列 图1 2 离子在沟道中运动 f i g 1 2as c h e m a t i cf o rt h ei o ni nt h ec h a n n e l 浓 图1 3 沿沟道方向注入的离子分布 f i g 1 3t h ed i s t r i b u t i n go f i o n si m p l a n t e da l o n gt h ec h a n n e l i n gd i r e c t i o n - 4 - 大连理工大学博士学位论文 影响单晶靶中射程分布的因素很多，简单地可以概括如下几个方面： ( 1 ) 离子能量( e ) 的影响：在一定条件下，低能入射时最大射程r m “与e z 成正比； 高能入射时r m 缸与e z 成正比。 ( 2 ) 注入方向的影响：当离子偏离晶轴方向的入射角增大时，沟道峰下降，离子射 程也减小，尤其高能时减小更快。 ( 3 ) 沟道取向的影响：对于同一单晶靶，由于沿不同晶向的原子列上原子间距不同， 它将影响射程的分布。通常来说，原子间距越小，离子射程越大。 ( 4 ) 剂量影响：由于离子的大剂量注入将引起晶格的严重损伤，破坏了晶格的原有 结构，因而注入剂量强烈地影响射程分布。通常射程随剂量的增加而减少，并存在一个 剂量阈值，大于这个阈值时，晶格结构将受到严重破坏，因而沟道离子峰也将很快消失。 ( 5 ) 靶温的影响：靶温的升高使晶格振动的振幅加大，造成散射增加，退沟道离子 数增多，因而沟道峰下降。但必须指出，靶温对r m 戤没有明显影响，也基本上不改变非 晶峰的分布形状。 ( 6 ) 离子种类的影响：不同离子在相同沟道条件下将有不同的射程。通常来说，离 子半径越大，射程越小。 ( 7 ) 晶体表面污染状态的影响：表面氧化层污染也会影响射程分布，甚至几十a 的 氧化层就会严重影响射程分布。 人们所熟悉的l s s 理论，是基于原子与原子碰撞统计模型的理论。1 9 8 0 年z i e g l e r 等人用m o n t ec a r l o 方法随机选定碰撞参数，模拟碰撞过程，计算一个离子从进入靶开 始，到最终损失全部能量而停止或穿出靶时所产生的辐照损伤。1 9 8 4 年z i e g l e r 等人将 其程序进行了扩展，用它可确定离子的射程和损伤分布，背散射和透射离子的角度和能 量分布【9 1 。这个程序提供了极高的计算效率，并保证很高的精度。用此程序可以计算出 各种离子在多种靶材料中的射程分布、损伤分布、入射和反冲粒子的电离分布及声子分 布，能详细描述离子在靶中级联碰撞的动态行为。现在该程序已经为全世界许多实验室 提供服务，即t r i m ( t r a n s p o r to f l o nm a t t e r ) 程序。t r i m 指令的物理假设是跟踪大量 单个离子在靶中的经历，给出每个离子开始的位置、方向和能量，然后与靶原子进行一 系列的碰撞，假定每次碰撞之间的路程是直线，而每碰撞一次均有能量损失，包括电子 能量损失和核能量损失，直到离子能量损失到一定值而停在靶内，或是在碰撞过程中从 靶的前后表面飞出去，这样可以真实地描述注入离子在靶中的全过程。t r i m 程序不断 发展和完善，从8 0 年代至今已推出多种版本，得到了国际上的公认和广泛应用。 1 1 2 离子注入技术的特点 f e 注入a - a 1 2 0 3 、c o 注入单品硅注入态与退火态的微结构研究 离子注入技术具有如下优点： 离子注入技术是一个非平衡过程，注入元素选择不受冶金学的限制，现在周期 表中所有稳定元素几乎都被人们注入过。同时，注入的浓度也不受平衡相图的约束，可 以得到用其他方法得不到的新合金相。 注入元素是分散停留在基体内部，没有界面，故改性层与基体之间结合强度很 高，附着性好。 注入元素的数量可精确测量和控制，其控制方法是监测注入电荷的数量。 可以通过改变注入离子的能量大小来控制注入层的厚度。 离子注入是在高真空和比较低的温度下进行的，因此，被处理的部件不会受到 环境的污染，不会变形或退火软化，因此十分适宜于零件和产品的最后表面处理。 离子注入可以实现大面积均匀性掺杂，而采用热扩散法实现大面积均匀掺杂是 很困难的。 可注入离子团，也可以进行多种离子同时注入。 当然，就像其他材料表面改性技术一样，离子注入技术也有自身的不足，主要表现 在：直射性，无法处理工件的复杂凹面或内腔；注入层薄；离子注入机价格昂贵，力h - r - 成本甜训。 1 1 3 离子注入设备 离子注入机种类较多，有不同分类方法【3 】。 以能量分类： 低能量即1 0 0 k e v 以下，称为低能注入机。 中能量即1 0 0 3 0 0 k e v ，称为中能注入机。 高能量即3 0 0 k e v 以上，称为高能注入机。 以工作范围分类： 专用机，能量可调范围较小，仅能注入几种元素，主要用于生产方面。 多用机，能量可调范围较宽，可注入多种金属元素，主要用于科研上。 以束流强度分类： 束流强度在“a 级的，称为弱流机。 束流强度在m a 级的，称为强流机。 以采用离子源的种类分类： 高频放电型离子源，电子振荡离子源，双等离子体型离子源和金属蒸发真空弧离子 源等离子注入机。 一6 一 大连理工大学博士学位论文 离子注入机的主要组成部分为：离子源、离子的引出和加速系统、质量分析系统、 离子束聚焦和扫描系统、注入剂量测量装置和靶室。 1 离子源 离子源的作用是使所需要的杂质原子或分子电离成为正离子，并通过一个引出系统 形成离子束。它对离子注入装置能否获得高质量的离子束，并稳定可靠地工作，起着极 其重要的作用，为了满足离子注入技术的需要，离子源必须满足以下几个条件： 能产生多种元素的离子。通常用于离化的物质，可以是固体，也可以是气体，与 此相对应的就是固体离子源、气体离子源以及固体气体离子源。 要有适当的离子束流强度。由离子源引出的束流强度，一般应在几百微安到几个 毫安的数量级。 结构简单，束流调节方便，稳定性、重复性好，能较长时间使用。 引出的束流品质好。要求引出束的分散越小越好，离子能量的分散也越小越好。 离子源的基本结构是由产生高密度等离子体的腔体和引出部分组成。 离子源主要有以下几种： ( 1 ) 高频放电型离子源。高频放电型离子源的特点是寿命长、功耗小、结构简单。 ( 2 ) 电子振荡离子源。电子振荡离子源以潘宁源为代表。潘宁离子源具有工作稳定可 靠、电源简单、束流调节方便等优点。 ( 3 ) 双等离子体型离子源。双等离子体源具有发散低、亮度高、引出束流大( 大于几 十毫安) 、电离效率高等一系列优点，因而被广泛地用于加速器、分离器和注入机作强 流源。 ( 4 ) 金属蒸发真空弧离子源( m e v v a ) 。这是我们本次实验所采用的离子源。1 9 8 5 年美国b r o w n 教授首先发表了金属蒸发真空弧离子源的研究结果【1 0 1 。m e v v a 离子源是 一种不同于常规离子源的新型金属离子源，它的主要特点是： 第一，引出的离子种类多。从低熔点金属到难熔金属，从一般金属到贵重金属和稀 土金属，都可以由这种离子源引出。 第二，离子束流强，平均束流达1 0 m a 或更强，脉冲束流达安培量级。 第三，多电荷比例大，以双电荷比例为最大，因而只需要在较高的电压下引出，就 可以得到很高的离子能量。 第四，源的结构简单。 第五，宽束，束斑大，可加工大尺寸工件。 第六，可以同时注入几种金属元素，从而研究合金生长规律。配以过滤装置，还可 以用来制备金属薄膜和陶瓷硬化膜。 f e 注入a a 1 2 0 3 、c o 注入单晶硅注入态与退火态的微结构研究 此外，离子束的纯度也相当好。由于采用冷阴极结构，利用连续推进阴极的办法， 使离子源的寿命得到明显提高。关于金属蒸发真空弧离子源的结构和工作原理，将在后 面详细介绍。 2 加速系统 在高能离子注入设备中，不能采用低能设备的空气绝缘高电压加速器结构，通常是 采用静电加速器，它是带电粒子( 离子) 通过高压电场来获得能量的装置。在真空电场中， 当带有电荷q = l z e i 的离子由电势u l 处移到电势u 2 处时，离子在电场作用下获得的能量 可以表示为：肛g 似v 9 。 3 质量分析系统 质量分析系统由分离磁铁和一组光栏构成。一束带正电的离子束垂直射入磁场强度 为b 的磁场中，质量m 不同的入射离子，当速度为矿时，以不同的半径，做圆周运动， 则有t r = 鼯 其中g 为离子所带电荷，不同质量的离子走不同半径，。所以调整b 则可选择一定 质量的离子走，路径从磁铁出口处引出，其他质量的离子则不能通过磁场而被过滤掉。 4 离子束聚焦和扫描系统 为了减少离子在行进中的损失，通常在引出束后面紧接着安装聚焦透镜，以实现对 离子束的聚焦。 从质量分析系统中引出的离子束进入扫描系统。这种装置可以加大注入面积，可提 高表面注入元素分布的均匀性。 5 注入剂量测量和控制装置 一般注入机使用电荷积分仪测量和控制注入剂量，其基本原理如图1 4 所示。 图1 4 注入剂量控制原理图【1 1 i f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fi n j e c t e dd o s ec o n t r o l 一8 一 大连理工大学博士学位论文 1 1 4 离子注入技术在表面改性中的应用 离子注入技术被广泛地应用于改善材料的表面性能，主要包括提高材料表面强度和 硬度、表面的耐磨性，提高材料的抗腐蚀性能、抗氧化性能和抗疲劳性能。 1 提高表面硬度和强度 强度和硬度是金属表面改性的重要参数。大量的实验和研究表明：离子注入可以不 同程度地提高金属材料表面的强度和硬度。最初是通过注入气体元素来提高金属材料表 面的强度和硬度，将n + 、c + 、b + 、a r + 等离子注入到铁、钢、有色金属及各种合金中， 产生明显的硬化作用。如将n + 注入到纯金属t i 和3 8 c r m n a i 合金钢中，注入后硬度分 别是注入前硬度的1 2 1 5 倍和1 1 1 8 倍2 1 训。 近年来，随着金属蒸发真空弧离子源( m e v v a ) 的广泛应用，各类的金属离子被 注入到不同的基体材料中，使得基体材料的表面强度和硬度得到显著提高。谈政等人在 工业纯铁中注入t i 和n ，实验结果表明随注入剂量的增加，样品的表面硬度明显增加， 当注入剂量为6 x 1 0 1 7 i o n s c m 2 时，硬度达到最大值【1 5 】。a k b a s 等人在a i s id 3 工具钢中 注入z r 离子，注入能量为1 3 0 k e v ，注入剂量为1 x 1 0 1 7 i o n s c m 2 ，表面硬度提高了近5 倍【16 1 。 2 提高材料表面的耐磨性 一般情况下，离子注入通过两种不同的机制改善材料的耐磨性z 日匕l - - , ：( 1 ) 注入可提高表 面硬度的元素，通过析出硬化相来提高材料表面的屈服强度。如，给材料注入c 、n 离 子，这类离子可形成细小的碳化物和氮化物硬化相，从而提高了材料的表面硬度。摩擦 实验表明，表面越硬，磨损量越少：( 2 ) 注入可减小表面摩擦系数的元素。摩擦系数是材 料表面性能的一个重要指标，它是描述物体之间相对运动或有相对运动的趋势时产生的 一种现象。注入的高能离子与基体原子发生级联碰撞，引起大量基体原子从原来的点阵 位置上离开，从而导致高度