高电荷态Arq+、Xeq+离子辐射HOPG、Si表面形成表面纳米结构过程的理论研究

：The study on the interaction process of Highly Charged Ion (HCI) with solid surface has important application value in the surface modification, microtreatment of materials and other field,it is also an important research topic in the multi-subjects field of atomic physics,material physics,plasma physics and etc. In this project, based on the construction of the projectile energy deposition and the interaction potential model,the formation mechanism of the surface nanostructure on HOPG,Si surface irradiated by highly charged Arq+,Xeq+ ions will be systematically studied with MD simulation.And the dependences of nanostructure size with the potential and kinetic energy of HCI will be studied and obtained, respectively. Furthermore,the bond breaking and bond formation during the nanostructure formation of HOPG surface will be investigated so as to get the rule of the surface transition from sp2 to sp3 hybridization.The results of this project will provide an explicit physical picture to reveal the nanostructure formation mechanisms of the HOPG,Si surface irradiated by HCI. The results can also provide foundation data and scientific basis for surface modification, preparation of nanometer materials and other applications of HCI.

高电荷态离子辐射固体表面形成表面纳米结构过程的研究在材料表面改性及微处理等方面具有重要的应用，也是原子物理、材料物理和等离子体物理等多学科交叉领域的一个重要研究课题。本项目在构建入射离子势能、动能沉积模型和相互作用势的基础上，采用分子动力学方法，对高电荷态Arq+、Xeq+离子辐射 HOPG、Si两种材料表面引起的表面纳米结构形成机理进行系统的模拟研究，获取入射高电荷态离子势能、动能与表面纳米结构形貌及其空间尺寸的关系，并对 HOPG 表面纳米结构形成过程中的 C-C 键断裂、层间键形成等表面原子结构变化进行细致研究，以期得到 HOPG 表面结构在该过程中由 sp2 向 sp3 键的杂化规律。研究结果将为高电荷态离子辐射 HOPG、Si 表面形成表面纳米结构过程提供清晰的物理图景，得到的模拟结果亦可以为高电荷态离子辐射材料进行表面改性和微处理以制备纳米材料等方面应用提供基础数据和科学依据。

高电荷态离子辐射固体表面形成表面纳米结构过程的研究在材料表面改性及微处理等方面具有重要的应用，也是原子物理、材料物理和等离子体物理等多学科交叉领域的一个重要研究课题。本项目对高电荷态 Arq+、Xeq+离子辐射 HOPG、 Si 表面形成表面纳米结构的过程进行了系统的分子动力学模拟研究。研究中，通过分析两种材料电导性、电荷中性化时间，以“库伦爆炸”和原子间级联碰撞为基础构建了入射离子势能和动能沉积模型。针对两个表面，构建了两种混合势描述体系原子间相互作用，其中HOPG表面采用了由reaxFF势和ZBL势构建的混合势， Si表面采用了由Tersoff键级势和ZBL势拟合的混合势。通过模拟，详细的分析了入射离子（Arq+、Xeq+， 8≤q≤46）势能（0.57～66.7keV）和动能（0.1～500keV）与 HOPG表面纳米结构形貌及空间尺寸的关系。结果显示，高电荷态离子辐射HOPG表面会在其上形成宽度大、高度小的丘状纳米结构，其大小主要取决于入射离子势能，动能影响较小，且尺寸随两种能量的增加而增加。 同时，研究发现在纳米丘形成过程中，HOPG表面内发生了大量碳原子σ键断裂和层间键的形成，其中，层间键以sp2键为主，而sp3层间键相对较少。在研究高电荷态离子辐射Si表面形成表面纳米结构的过程中，详细分析了Xe44+与Si表面作用过程中，表面温度、压强、原子数密度、原子平均势能和动能随时间的演化关系。结果显示，由于入射离子大量能量的沉积，表面入射点附近形成了一个高温高压区域，随之形成了~10^4 m/s的冲击波，在体系平衡的过程中大量原子被溅射出来，并在表面上形成了一个直径约为~40Å的坑状纳米结构。项目的研究结果为高电荷态离子辐射HOPG、 Si 表面形成表面纳米结构过程提供了清晰的物理图像，得到的模拟结果可以为高电荷态离子辐射材料进行表面改性和微处理以制备纳米材料等方面应用提供基础数据和科学依据。