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1、讲 座核科学百年讲座 第七讲 核科学技术在材料科学中的应用3裴俊琛 许甫荣 郑春开(北京大学物理学院技术物理系 北京 100871)摘 要 核科学技术和材料科学的结合产生了一门新兴的交叉学科 核材料(也称核固体) ,主要指核技术在材料分析、 物质改性和新材料研制合成中的应用.文章介绍核技术在材料科学中的应用历史、 现状及其前景,包括基本物理原理.关键词 核技术,应用,材料科学Nuclear science in the 20th century nuclear technology applications in material sciencePEI Jun2Chen XU Fu2Rong
2、ZHENG Chun2Kai( Department of Technical Physics , School of Physics , Peking University , Beijing 100871, China)Abstract The application of nuclear technology to material science has led to a new cross subject , nuclearmaterial science(also named nuclear solid physics) which covers material analysis
3、 , material modification andnew material synthesis. This paper reviews the development of nuclear technical applications in material scienceand the basic physics involved.Key words nuclear technology , application , material science3 国家自然科学基金(批准号:10075070)资助项目2002 - 11 - 19收到初稿,2003 - 01 - 14修回 通讯联系
4、人. E2mail :frxu 1 引言20世纪初人类在探索物质世界更深层次的奥 秘时,形成了比以往更微观的学科 核科学.广泛 深刻的核科学在发展中形成了当代最主要的尖端技 术之一 核技术.核技术是指利用原子核放出的 射线或加速器产生的带电粒子束流,通过射线与物 质相互作用来研究和改造物质的技术.核技术的应 用,把人们的视野进一步推向微观,从而使人们从分 子水平、 原子水平和原子核水平动态了解自然现象. 核技术在材料科学中的应用是原子核物理和固体物 理之间新兴的交叉学科,它主要研究荷电粒子或射 线束与固体表面及晶格的作用,用于材料的结构、 组 分和状态的分析及新材料的制备1. 核射线很早就用来
5、探索物质结构. 1911年,物理学家卢瑟福和他的学生们用射线轰击金属薄 膜,来观测穿过金属膜后粒子飞行方向的分布,提出 了著名的卢瑟福原子核式结构模型,开创了用射线束来研究物质结构的新途径.晶体X射线衍射是上 世纪初固体物理的重大发现,1912年由弗里得里希 (Friedrich W)和尼平( Knipping P)在实验上观察到,它证实了晶格结构这一物理图像,开创了核技术 在材料研究中应用的先河.核射线与物质的相互作用是核材料研究与应用的基础,在此基础上扩展到 材料、 考古、 生物和环境等众多领域.核技术在材料 科学中的应用和发展不仅为研究材料的结构和特性 提供了强有力的工具和技术,而且还为
6、工业、 农业、845 物理国防、 现代科学技术及人类生活提供了众多的新型 材料.从20世纪60年代中期开始,各种低能加速器 转向这方面的研究,使得这一领域得到了迅猛的发 展.如今,离子束已从单一的离子扩展到原子、 分子 离子、 团簇.所研究的材料已发展到高分子材料、 绝缘材料、 生物材料及复合材料等2.核材料科学已 是跨越核物理、 原子物理、 固体材料物理及表面物理 等众多领域的交叉学科,成为当前一个引人注目的 领域.2 材料科学中的核分析技术核分析就是用核物理手段进行材料分析,利用 探测物与被探测物之间的相互作用来获取被探测物 的成分、 结构、 物理与化学性质的信息.一个著名的实验是20世纪
7、60年代用核分析技术成功地分析了 月球土壤,记录下了世界瞩目的月球探索所带来的 珍贵资料.现代的核分析技术与传统的手段相比,具 有超微量、 高精度和极表面的特点,而且还能提供一 些独特的物理信息.常用于材料科学的核分析技术包括离子束分析(ion beam analysis)、 超精细相互作 用核 分 析( hyperfine effect analysis )和 活 化 分 析 (activation analysis)等技术.2. 1 超精细相互作用核分析 原子核的磁矩和电四极矩与周围电磁场之间的相互作用称为超精细相互作用.分析超精细相互作 用引起核能级的移动和分裂,可以获得周围环境的 信息
8、,从而来探测物质的微观结构3.主要的超精 细相互作用核分析有穆斯堡尔效应、 核磁共振技术、 正电子湮没技术和中子散射技术等.穆斯堡尔效应(Mssbauer effect)是1957年德 国青年科学家穆斯堡尔(Mssbauer R L)首次发现 的,也称原子核无反冲共振吸收或共振散射.它对 射线能量的依赖关系非常敏感,因此可以用穆斯堡尔效应来探测由于共振原子核附近的物理和化学环境变化而引起的共振射线能量的变化.一个生 动的例子就是砷化镓半导体中注入锡,到底锡是处 于砷位还是镓位,这只能由穆斯堡尔效应告诉我们. 核磁共振现象(NMR)是1945年美国Bloch F 小组和Purcell E M小组
9、分别发现的.核磁共振是指原子核在进动中吸收外界能量产生的一种能级跃迁 现象.这里外界能量是指一个高频磁场,根据跃迁 选择定则,只在相邻的能级之间发生跃迁,同时出现 强烈的能量共振吸收.与前种技术相比,其可探测的核要多很多,精度也非常高.近年来发展的固体高分 辨核磁共振技术,最大的特点是能反映各种相互作 用和各向异性,例如对高聚物和液晶的研究可得到 其他技术不可替代的结构信息. 正电子湮没技术(positron - annihilation tech2nique ,简称PAT) :正电子是电子的反粒子,是由狄 拉克预言、 安德森(Anderson A D)于1932年发现 的.由源发出的正电子遇
10、到电子会湮没成两个光子, 即一对射线.通过对湮没寿命的测量、湮没关联 测量和射线的多普勒增宽能谱测量可研究材料的结构.正电子湮没技术的应用是从50年代开始的, 目前国际上最多的PAT应用还是对金属和合金材 料的研究. 中子散射(neutron scattering) :1932年,英国物 理学家查德威克(Chadwick J)发现中子以来,中子散射技术已成为固体结构研究的另一种手段.平均 动能为0. 025eV的热中子,相应的波长为0. 11nm ,这正好接近物质结构中原子运动的能量和原 子间的距离.热中子散射既可以用于研究物质的静 态性质,也可以研究其动态性质.近年来发展起来的冷中子(能量小
11、于0. 1eV)散射是研究凝聚态物质、 聚合物和大分子的有力工具.2. 2 离子束分析 离子束分析(ion - beam analysis ,简称IBA)是 指用一定能量的带电离子轰击靶物质并与之发生相互作用,从而靶材和离子束状态发生变化,产生各种 次级效应.通过分析和测定这些次级效应来研究被 轰击材料的结构和性质.离子束分析技术于1968年 问世,是一种重要的表面分析方法.主要的离子束分 析技术包括卢瑟福背散射分析、 核反应分析、 质子荧光分析、 加速器质谱分析和沟道技术等. 卢瑟福背散射(Rutherford backscattering spec2trum ,简称RBS)和弹性前冲分析(
12、简称EDR)统称 为带电粒子弹性散射分析.入射离子和靶原子由于 库仑相互作用而被散射,这就是卢瑟福弹性散射过程.通过测量散射离子能谱和进行运动学的分析可 对靶元素作定性、 定量和深度分析. RBS探测重元 素灵敏度很高,对半导体材料和冶金材料尤为适用. 核反应分析(nuclear reaction analysis ,简称NRA)与RBS不同之处在于入射离子的能量很高,可以穿过靶核的库仑势垒而进入核内并与之发生核 相互作用.根据核反应产物的放射性寿命的长短,可 分为带电离子核反应缓发分析(带电离子活化分析) 和带电离子核反应瞬发分析(PNR) .核反应分析灵945讲 座32卷(2003年)8期
13、敏度高,能够区分不同的同位素,特别是能给出轻元 素的浓度分布. 质子荧光分析(particle induced X2ray emission , 简称PIXE)就是用一定能量的质子、X射线或重离 子轰击样品,从样品原子中激发出特征X谱线,测量这些特征X谱线的波长、 能量和强度等来确定样 品各元素的种类和含量. 加速器质谱学(accelerator mass spectrometry , 简称AMS)与常规的质谱分析相比,AMS又叫超灵 敏质谱分析.它能测定同位素比十分低的元素,能采用毫克的样品进行分析.加速器质谱分析主要测 量14C ,26Al ,10Be ,36Cl等宇宙成因核素的同位素丰
14、度,它是20世纪70年代中期发展起来的,已被广泛 应用于地球科学、 考古学、 环境科学、 生命科学、 材料 科学、 核物理与天体物理等众多领域1.沟道效应分析(channeling technology ,简称CT)是利用带电离子与单晶体的相互作用来研究物 质微观结构的一种分析技术.带电离子入射到单晶 上时,由于原子列或原子面通过一系列相关联且和 缓的小角度碰撞对高能离子起 “导向” 作用,使得单晶靶的晶向相对入射束变化时,背散射粒子的产额 由于沟道效应而发生明显变化.沟道效应分析可以 用于测量晶格损伤程度及深度分布、 杂质原子在晶 格中的位置以及无定形表面层的组成与厚度等.3 离子注入与材料
15、改性离子注入材料改性是指用离子、 分子、 团簇等轰 击固体材料,使其表面形成一定深度的注入层,从而 使材料表面的物理性质、 化学组成的结构发生变化, 最终导致材料改性4.离子注入与其他表面加工技术相比,有很多独特的优点:注入层与靶材无明显分 界面;注入只改变材料的表面性质而不影响其内部 结构;此外注入离子的种类、 深度、 浓度及分布等易 于控制.由于离子注入技术给新材料的制备带来了 突破,所以其迅速在半导体、 金属、 陶瓷、 聚合物及生物材料等各个领域中得到了应用.3. 1 半导体材料加工 离子注入在半导体加工中应用最为广泛,其主 要应用包括大规模集成电路、 微波、 激光和红外集成 元件与电路
16、.离子注入技术于60年代应用于半导体领域,形成了精细掺杂工艺和微细加工技术.离子注 入可以精确控制掺杂量和注入深度,特别适于小于1m的亚微米加工和实现多层复杂注入,因而促进 了大规模集成电路的产生,推动了超大规模集成电路的发展.硅中的离子注入工艺已经进入实际的生 产阶段,成为半导体工业的基本工艺之一,如中子嬗 变掺杂单晶硅,高能中子注入单晶硅中使硅嬗变为 磷,而均匀掺杂形成半导体,已形成产业规模.用高 量氧在高温下注入硅则可以在硅表面下形成埋层二 氧化硅隔离层,这种结构称为SOI结构. SOI材料是21世纪超大规模集成电路主流材料,可应用于抗辐 照电路、 低压低功能电路和高温下的电路.另外,离 子注入是微电子加工的主要手段.离子束蚀刻可能 代替传统的电子和光束蚀刻,因为它具有更高的分 辨率和更短的曝光时间.3. 2 金属改性与离子束冶金学20世纪70年代初以来,离子注入金属中的应 用已得到广
