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1、核科学技术在材料科学中的应用摘 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
2、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核射线很早就用来探索物质结构.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 年由弗里得里希和尼平在实验上观察到,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
3、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,而且还为工业、农业、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
4、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 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、超精细相互作用核分析和活化分析等技术.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,从而来探测物质的微观结构.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
5、子湮没技术和中子散射技术等.穆斯堡尔效应是 1957年德国青年科学家穆斯堡尔首次发现的,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 BlochF小组和 PurcellEM小组分别发现的.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
6、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，正电子是电子的反粒子,是由狄拉克预言、安德森于 1932年发现的.由源发出的正电子遇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:1932年,英国物理学家查德威克发现中子以来,中子散射技术已成为固体结
7、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.3 离子注入与材料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.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
8、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.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
9、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泛开展.首先是金属的表面改性研究.金属表面注入某些离子,可以获得一般冶金工艺难以得到的表面合金相,从而对金属表面的硬度、抗腐蚀性、耐磨性以及催化性能等
10、有显著的影响.特别是抗腐蚀、抗氧化和耐磨性的改善,在工业和国防应用中占有十分重要的地位.从大量的实验结果来看,在钢制金属切削工具、热挤压模和精密运动部件等产品中取得了延寿 320倍的优异效果.离子注入技术还使得一些原来难以产生的合金得以生成,并形成了一门新的学科离子束冶金学.现在,通过离子注入可以把周期表中任一稳定元素注入到任意金属表面,这样形成的亚稳态合金不仅具有潜在的经济价值,而且对于金属的基础研究也有十分重要的意义.3.3 无机非金属材料的改性无机非金属材料主要包括玻璃、氧化物、晶体和陶瓷材料.由于离子注入可以广泛改变其物理、化学、电学、光学、机械和磁性特性,因而这些材料的改性研究也越来
11、越受到重视.离子注入光学材料,改变其光学性质(如折射率)已是集成光学一项重要技术.离子注入SiO2玻璃,可使其折射率改变 1%,注入金属杂质可得到更大的改变.二氧化硅玻璃折射系数的局域改性可用于制作波导、定向耦合器等.离子注入陶瓷,可以改变其表面的机械性质(如耐磨性),延长部件的寿命.把氮 N和硼 B注入到金刚石中可以增加其耐磨性、硬度及防止表面破裂.离子注入 Al2O3,引起其光学特性和结构的变化,使其成为一种具有广泛应用前景的陶瓷材料6.3.4 高分子材料改性离子和团簇注入高分子材料的改性研究是近年来一个非常活跃的领域.荷能离子注入聚合物引起化学结构改变在当今微电子领域是十分有用的,如:延
12、长离子轰击时间,聚合物表面的“石墨”化现象,可用作高质量的掩膜;离子辐照有机硅产生 SiC膜,离子轰击聚合物产生具有电阻性质的“金属”碳等是集成电路技术中具有应用前景的领域.离子注入聚合物还可以改变其光学特性.随着注入量、能量、离子种类和聚合物的不同,聚合物的颜色会发生明显变化.此外离子注入聚合物还会引起表面的硬度、抗磨损特性、抗氧化特性和抗化学腐蚀特性的变化,如离子注入聚合物引起表面硬度的增加,已广泛用于人造关节、深水仪器等领域.当集成电路的线条小于 0.1m 时,存储器线条进入分子尺寸,于是高分子存储器、分子电子学被提出来,可以设想离子束加工将是十分理想的技术.3.5 纳米材料的研制纳米材
13、料是当今材料科学研究的热点.核技术已成为纳米材料研制的一种有效手段.用同位素分离器使具有一定能量的离子硬嵌在某一与它固态不相溶的衬底中,然后加热退火,让它偏析出来.通过改变注入离子的能量和剂量,以及退火温度可以控制形成的纳米微晶在靶材中的深度分布和颗粒大小.国内较早地实现了离子注入退火形成纳米颗粒的技术.1996 年,国外报道了离子辐照碳灰生成碳纳米管,随后 1998年国内也报道了 Ar离子轰击石墨过程中有碳纳米管的生成.离子注入纳米材料可以使纳米材料成为晶体,也能使它无定形化,纳米材料的改性研究也是人们研究的热点.80 年代扫描探针显微学(包括 STM和 AFM)的突破性进展导致了纳米蚀刻术
14、的诞生.用 STM针尖和表面相互作用的原理可以进行纳米量级的蚀刻,可望在 21世纪实现实用化、产业化.4 其他核技术在材料科学中的应用4.1 等离子体技术在材料改性中的应用等离子体作为物质存在的第四状态是指部分或完全电离的气体.在材料改性中用到的是低温等离子体技术,其应用主要体现在半导体芯片加工和薄膜涂层.等离子体工艺逐渐成为沉积涂层所选择的技术,所用技术包括热等离子体喷涂、等离子体辅助化学气相沉积和束溅射等.几乎任何能被熔化或溅射而不会分解的元素、材料都能用来形成涂层.等离子蚀刻是指从离子源引出一定能量和活性的原子、原子团、离子等基团,通过化学反应和物理轰击进行腐蚀,从而达到图形转移的效果,
15、具有很高的各向异性度和很小的腐蚀残余物.在接近硅极限的如今,等离子蚀刻是必然趋势.在制造电路中大约 40%的步骤使用等离子体加工,未来所有的超大规模集成电路,都将依靠等离子体加工.4.2 同步辐射技术在材料科学中的应用在电子同步加速器中,当接近光速的电子沿弯曲的轨道运行时,会沿切线方向放出强烈的电磁辐射,被称为同步辐射.同步辐射在材料科学中的主要应用是结构分析和软 X射线光刻术.同步辐射光源具有亮度高、宽频谱可调和优异的偏振性等优点,是世界上近 20年来急剧发展起来的新光源.80 年代,美国、日本相继建立国家同步辐射装置,用于光刻技术的研究.利用高曝光强度的光刻束线开展亚微米器件的工艺研究,如
16、 X射线掩膜研制、X 光刻胶对 X射线吸收过程的研究和多次 X射线套刻技术等.X射线衍射分析材料这种古老的分析手段也由于同步光源的出现而得到更大的发展.由于同步辐射在材料研究和工艺中有着重要的作用,我国已在北京、合肥建有同步装置,上海也拟建造第三代同步装置,这些同步装置的应用目的主要是面向材料科学和生命科学领域.5 结束语通过本门课的学习，让我知道：核科学技术在材料科学中应用广泛,涉及信息、能源、国防和工农业生产的各个方面.同时核材料科学还是一个发展中的概念.它的物理基础是离子和固体的相互作用.随着研究范围的扩大,这种机制还需要进行理论研究.另外,与其他领域的交叉也正带给核材料科学新的生长点,将来对人类日常生活必定产生更大的影响.参考文献1 刘洪涛等编.人类生存发展与核科学.北京:北京大学出版社,2001LiuHTetal.NuclearScienceanditsImpactontheWorld.Beijing:Pekin
