关联法研究高电荷态离子在表面的瞬间能量沉积过程

The interaction of slow highly charged ions between surfaces not only helps to understand the physical mechanism micro-dynamic process of small-scale instant high power energy deposition in a strong field, but also has important applications on the micro-and nano-scale manufacture and strong monochromatic radiation source technologies. This application will use the highly charged ions provided from the 320kV high voltage platform in the Institute of Modern Physics to interact on different surfaces. Combined with observation of the target surface morphology, the emitted electron energy spectrum, charge state distribution and remain energy of scattered ions are associatively measured in a small grazing angle. The goal is not only to study the physical mechanisms and laws during interaction process, but also to develop and improve the relevant theoretical model. The study will be the first time to study these two closely related physical processes (ion's energy loss and charge evolution, electron emission) with the associated measurement method which is feasible and innovative. The charge state and incident energy of ion beam provided from the experimental platform is continuously adjustable. This study can also be extended to near the Bohr velocity which is studied less but important to make the research work systematic and distinctive. Young and experienced group members will expect to make innovative and breakthrough progress supported from the NSFC.

低速高电荷态离子与表面相互作用的研究不仅有助于理解强场下小尺度瞬间高功率能量加载的物理机制和微观动力学过程，而在微纳尺度加工，单色强辐射源等技术领域有着重要的应用前景。本申请将利用中科院近物所320kV高压平台提供的高电荷态离子与不同材料表面作用，通过关联测量小角度掠入射下发射电子的能谱和岀射离子的电荷态及其剩余能量，并结合靶表面形貌的观测，研究该作用过程的物理机制与规律，发展和完善相关理论模型。该项研究将首次把上述两个紧密相关的物理过程（即 "离子的能损和电荷演化"与"电子的发射"）进行符合关联测量，方法上可行且具有创新性；实验平台提供的离子束在初始能量与电荷态等方面连续可调，还可以把这项研究拓展到玻尔速度附近（这是一个研究较少但十分重要的作用能区），从而使这项研究具有系统性且富有特色；课题组成员年青且富有经验，有望在本基金的支持下在该领域取得有创新性和突破性的进展。

中能MeV能区高电荷态离子不仅自身携带很高的库伦势能，同时入射动能也很大，可以兼顾低速高电荷态离子的势能优势和快重离子在固体内的电子能损优势，当其垂直入射或者掠入射到材料表面时，将在极短时间内将全部的能量（势能+动能）释放出来，产生非常高的能量沉积功率，并引起一系列的强激发过程，造成材料表面次级粒子发射、X射线发射的增强及表面纳米尺度缺陷的产生。.本项目研制了一套超高真空液氮低温环境、具有环境热辐射屏蔽能力、同时实现高稳定性温度控制和靶温度、二次电子发射、X射线精确刻度和出射离子电荷态分布与剩余能量测量的离子与表面相互作用的综合实验靶室系统。在此实验系统中研究了系列电荷态离子在不同材料（CaF2、HOPG、Al2O3、SrTiO3、Si和W、Fe、Al等金属材料）中能量传递的微观过程，在二次电子发射、X射线发射和表面结构改变的关联测量中初步探讨了不同能量沉积（势能沉积、核阻止能损、电子阻止能损）之间的合作与竞争关系。首次得到在电子能损与势能沉积两种机制协同作用下，重离子在CaF2表面形成纳米结构的总能量沉积阈值为2.7 keV/nm, 势能沉积深度d与沉积效率F存在d/F = 4.1的关系。利用扩展到三维的非弹性热峰模型验证了实验结果，成功地解释了阈值的存在，结合实验与模拟结果推算出在实验能区约为45%的势能沉积在深度约为2nm的区域用于晶格的熔合,而不到10%的势能用于发射势能电子。此项研究首次建立了快重离子和高电荷态离子两种情况、电子能损与势能沉积两种作用机制之间的联系，统一了对两种不同能区和作用机制的物理认识。还研究了离子穿过碳膜/绝缘微孔/气体靶/等离子体靶后的电荷转移与能量损失研究。本项目实验和模拟的结合研究给离子-固体相互作用的基本过程和可控纳米结构形成的制备提供了更深入的理解。