这不是什么新技术!不过给金属表面注射下形成容光焕发的非晶合金


编者按

       最近,非晶中国发现以色列科学家在非晶合金材料应用上有很多发现和创新。比如,用离子注入技术,将多种金属表面形成非晶态合金,在光学、声学、磁学等很多领域起到意想不到的效果,有巨大经济潜在效益。当然,离子注入不是新技术,但他们将该项技术和非晶合金巧妙结合起来就有了新用途。

什么是离子注入技术呢?

       把掺杂剂的原子引入固体中的一种材料改性方法。简单地说,离子注入的过程,就是在真空系统中,用经过加速的,要掺杂的原子的离子照射(注入)固体材料,从而在所选择的(即被注入的)区域形成一个具有特殊性质的表面层(注入层)。

离子注入的基本特点

       ①纯净掺杂,离子注入是在真空系统中进行的,同时使用高分辨率的质量分析器,保证掺杂离子具有极高的纯度。

       ②掺杂离子浓度不受平衡固溶度的限制。原则上各种元素均可成为掺杂元素,并可以达到常规方法所无法达到的掺杂浓度。对于那些常规方法不能掺杂的元素,离子注入技术也并不难实现。

       ③注入离子的浓度和深度分布精确可控。注入的离子数决定于积累的束流,深度分布则由加速电压控制,这两个参量可以由外界系统精确测量、严格控制。

       ④注入离子时衬底温度可自由选择。根据需要既可以在高温下掺杂,也可以在室温或低温条件下掺杂。这在实际应用中是很有价值的。

       ⑤大面积均匀注入。离子注入系统中的束流扫描装置可以保证在很大的面积上具有很高的掺杂均匀性。

       ⑥离子注入掺杂深度小。一般在1um以内。例如对于100keV离子的平均射程的典型值约为0.1um。

离子注入技术的发展

       离子注入首先是作为一种半导体材料的掺杂技术发展起来的,它所取得的成功是其优越性的最好例证。低温掺杂、精确的剂量控制、掩蔽容易、均匀性好这些优点,使得经离子注入掺杂所制成的几十种半导体器件和集成电路具有速度快、功耗低、稳定性好、成品率高等特点。随着工艺上和理论上的日益完善,离子注入已经成为半导体器件和集成电路生产的关键工艺之一。在制造半导体器件和集成电路的生产线上,已经广泛地配备了离子注入机。   

       上个世纪70年代以后,离子注入在金属表面改性方面的应用迅速发展。在耐磨性的研究方面已取得显著成绩,并得到初步的应用,在耐腐蚀性(包括高温氧化和水腐蚀)的研究方面也已取得重要的进展。   

       注入金属表面的掺杂原子本身和在注入过程中产生的点阵缺陷,都对位错的运动起“钉扎”作用,从而使金属表面得到强化,提高了表面硬度。其次,适当选择掺杂元素,可以使注入层本身起着一种固体润滑剂的作用,使摩擦系数显著降低。例如用锡离子注入En352轴承钢,可以使摩擦系数减小一半。尤其重要的是,尽管注入层极薄,但是有效的耐磨损深度却要比注入层深度大一个数量级以上。实验结果业已证明,掺杂原子在磨损过程中不断向基体内部推移,相当于注入层逐步内移,因此可以相当持久地保持注入层的耐磨性。

离子注入技术的性能

       离子注入后形成的表面合金,其耐腐蚀性相当于相应合金的性能,更重要的是,离子注入还可以获得特殊的耐蚀性非晶态或亚稳态表面合金,而且离子注入和离子束分析技术相结合,作为一种重要的研究手段,有助于表面合金化及其机制的研究。非晶中国小编也想,块体非晶表面是否也可以用离子注入,形成新的特殊功能的非晶合金表面呢?

       离子注入作为金属材料改性的技术,还有一个重要的优点,即注入杂质的深度分布接近于高斯分布,注入层和基体之间没有明显的界限,结合是极其紧密的。又因为注入层极薄,可以使被处理的样品或工件的基体的物理化学性能保持不变,外形尺寸不发生宏观的变化,适宜于作为一种最后的表面处理工艺。

       离子注入由于化学上纯净、工艺上精确可控,因此作为一种独特的研究手段,还被广泛应用于改变光学材料的折射率、提高超导材料的临界温度,表面催化、改变磁性材料的磁化强度和提高磁泡的运动速度和模拟中子辐照损伤等等领域。


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