劉 坤，鄭 濤，郭 猜，楊江燕，田繼挺，聶 銳，馬宏驥，丁富榮

(北京大學(xué) 物理學(xué)院 核科學(xué)與核技術(shù)國家重點實驗室，北京 100871)

二次離子質(zhì)譜方法是進(jìn)行表面材料分析的重要手段之一，其優(yōu)點是可重復(fù)以及靈敏度和橫向分辨率高[1]。自發(fā)現(xiàn)C60和其他高原子數(shù)目富勒烯以來，碳基材料就受到了人們的關(guān)注[2]，近年來對碳納米管和石墨烯等的研究成為一個新的熱點[3]。碳基材料因其獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，能有效克服輻照帶來的材料嬗變問題，具有很強的抗輻照特性[4]，越來越受到人們的關(guān)注。目前對于碳基復(fù)合材料抗輻射性能的研究還不是很充分，本文采用基于加速器的二次離子質(zhì)譜研究帶電離子和碳納米管(CNT)材料的相互作用，以理解其在輻照過程中的物理機制。

1 實驗原理及裝置

使用2×1.7 MV串列靜電加速器產(chǎn)生的1.5 MeV Si+和Au2+作為入射初級束，用飛行時間譜儀測定樣品被轟擊后產(chǎn)生的二次離子。實驗中，初級離子束流的脈沖化通過給掃描極加脈沖電壓實現(xiàn)，脈沖化束流轟擊到靶上濺射出正負(fù)離子和中性粒子。給靶樣品加正高壓，被濺射出的正離子在電場加速下穿過接地柵網(wǎng)，到達(dá)MCP探測器。實驗布局如圖1所示，二次離子束與初級束夾角為45°，靶前方8 mm放置一個透過率為90%的柵網(wǎng)，用來引出二次離子。

圖1 實驗設(shè)備總體布局

掃描脈沖電壓前沿經(jīng)甄別后作為起始時間，MCP接收到二次離子后產(chǎn)生的信號經(jīng)快速前置放大器VT-120放大后通過前沿甄別確定離子漂移的停止時間，輸入多路定標(biāo)分析器Turbo-MCS分析后即可得到二次離子總飛行時間譜。二次離子的飛行時間Ttotal與濺射出的二次離子相對原子質(zhì)量M的平方根呈正比[5]：

(1)

式中，t與k只與束流能量和柵網(wǎng)電壓有關(guān)，對于同一實驗設(shè)置是不變的，通過幾個相對原子質(zhì)量已知的元素定標(biāo)得到t和k，然后對飛行時間譜進(jìn)行反解，可得到未知二次離子的相對原子質(zhì)量。

實驗中，束流脈沖化對束斑形狀的要求很高，通過采用對束流更敏感的CsI晶體作為熒光屏，替代通常觀察束流的石英玻璃熒光屏[5]，并采用低照度(<0.003 Lux)攝像機進(jìn)行觀察，極大提高了對微弱束流的觀察能力，可實現(xiàn)對束斑形狀的精確調(diào)節(jié)。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 質(zhì)量定標(biāo)及二次離子產(chǎn)額分析

采用含鈉、鉀、銫等不同原子質(zhì)量元素化合物混合的辦法制備標(biāo)準(zhǔn)樣品。實驗中使用同樣的束流和幾何條件獲得了待研究樣品和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量樣品的二次離子飛行時間譜。圖2所示為束流轟擊碳納米管后二次正離子和標(biāo)準(zhǔn)樣品原始譜的對比，圖中明確標(biāo)出了氫、鈉、鉀、銫對應(yīng)的4個峰，這樣就可在1～200的質(zhì)量數(shù)范圍內(nèi)實現(xiàn)對二次離子質(zhì)量的定標(biāo)。根據(jù)質(zhì)量定標(biāo)的結(jié)果，二次離子飛行時間譜可轉(zhuǎn)化為二次離子質(zhì)量譜進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖2 束流轟擊后碳納米管和標(biāo)準(zhǔn)樣品的二次離子譜對比

圖3 Au2+轟擊碳納米管后二次離子質(zhì)譜解譜結(jié)果

在扣除實驗測得的本底計數(shù)后，利用多高斯擬合的辦法分析Au2+轟擊碳納米管樣品后的二次離子質(zhì)譜，解譜結(jié)果如圖3所示。相應(yīng)的二次離子產(chǎn)額可通過對解譜后得到的高斯峰面積積分得到，二次離子成分和相對產(chǎn)額(二次離子產(chǎn)額與同時測得的碳離子產(chǎn)額之比)列于表1。

表1 Au2+轟擊碳納米管后二次離子的成分及相對產(chǎn)額比較

為研究不同離子束流引起碳基材料二次離子發(fā)射產(chǎn)額的規(guī)律，采用相同的實驗設(shè)置，研究1.5 MeV Si+轟擊相同碳納米管樣品的實驗結(jié)果，并將Au2+和Si+兩種束流轟擊后得到的相同二次離子組分的產(chǎn)額進(jìn)行對比。為避免由加速器調(diào)束和恢復(fù)實驗設(shè)置引起的系統(tǒng)偏差，將二次離子相對產(chǎn)額進(jìn)行對比，結(jié)果列于表2。

表2 Si+與Au2+轟擊碳納米管后二次離子相對產(chǎn)額的對比

2.2 討論

在使用不同束流轟擊后得到的二次離子質(zhì)譜中，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)較小的部分中含有在束流轟擊碳樣品實驗中常見的CmHn的手指結(jié)構(gòu)[6]。飛行時間質(zhì)譜的質(zhì)量分辨好于一個質(zhì)量單位，這樣即可明確區(qū)分質(zhì)譜中不同數(shù)量的含碳團(tuán)簇及其后緊隨的CmHn團(tuán)簇。C1至C6離子簇均掛有大量H原子，C3、C5簇產(chǎn)額要高于C4及其含H碳簇，表明鏈狀C團(tuán)簇中奇數(shù)團(tuán)簇比相鄰偶數(shù)團(tuán)簇更穩(wěn)定，這與Pitzer等[7]關(guān)于碳團(tuán)簇離子特性和結(jié)構(gòu)理論計算中的奇偶規(guī)律符合。理論計算預(yù)言了環(huán)狀結(jié)構(gòu)團(tuán)簇能量低于鏈狀團(tuán)簇[8]，實驗上觀察到的C6以上的大團(tuán)簇均可能含部分環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其具體構(gòu)型將在后續(xù)實驗中進(jìn)行研究。

通過Au2+和Si+兩種束流轟擊樣品后得到的相同二次離子組分相對產(chǎn)額的對比，發(fā)現(xiàn)在束流總能量均為1.5 MeV的情況下，兩種束流的二次離子相對產(chǎn)額表現(xiàn)出一致的規(guī)律性，即Si+的二次離子產(chǎn)額普遍高于Au2+的二次離子產(chǎn)額(表2)。通過SRIM程序計算可知，1.5 MeV Si+在碳中的阻止本領(lǐng)為8.48 MeV·mg-1·cm2，1.5 MeV Au2+在碳中的阻止本領(lǐng)為12.7 MeV·mg-1·cm2。與通常所認(rèn)為的阻止本領(lǐng)越大，能量沉積越大，濺射產(chǎn)額越高相背離。利用SRIM程序，針對這一現(xiàn)象進(jìn)行進(jìn)一步研究，圖4為程序計算結(jié)果。

圖4 碳中Si+與Au2+阻止本領(lǐng)和橫向歧離對比

從圖4可看到，Au2+阻止本領(lǐng)高于Si+阻止本領(lǐng)。動力學(xué)分析可得到較直觀的離子間相互作用，入射離子質(zhì)量大于靶原子質(zhì)量，碰撞后，由于靶原子獲得前向的動量，級聯(lián)碰撞引起的二次離子不易脫離靶物質(zhì)。對兩種入射重粒子的橫向歧離進(jìn)行分析，Si+與Au2+束流總能量為1.5 MeV，每核子能量分別為53.6 keV和7.6 keV。每核子能量為7.6 keV情況下，Si+和Au2+的橫向歧離分別為32 nm和24 nm(圖4中A)。此能量下Si+的橫向歧離和Au2+可比擬，但稍大。每核子能量為53.6 keV情況下，Si+的橫向歧離為102 nm(圖4中B)，遠(yuǎn)大于每核子能量為7.6 keV情況下Au2+的橫向歧離。這是Si+離子的二次離子產(chǎn)額高于Au2+離子的主要原因，即橫向的級聯(lián)碰撞更易導(dǎo)致靶表面的離子濺射。通過比較文獻(xiàn)[9]中此能區(qū)Si+在Al、GaAs、GaP、SiO2靶上濺射的實驗數(shù)據(jù)可得到相同的結(jié)論。實驗中采用的束流入射角度為45°，這可使一部分接近樣品表面產(chǎn)生的二次離子獲得足夠的動能脫離靶物質(zhì)，入射角的增大將對二次離子產(chǎn)額產(chǎn)生促進(jìn)作用。

3 結(jié)論

通過使用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行質(zhì)量定標(biāo)，將二次離子飛行時間譜轉(zhuǎn)換成質(zhì)量譜進(jìn)行分析。1.5 MeV Si+和Au2+轟擊碳納米管材料后可產(chǎn)生大量的不同組分的二次離子，通過對二次離子相對產(chǎn)額的分析研究，發(fā)現(xiàn)此能量下入射離子引起的二次離子發(fā)射產(chǎn)額與入射離子與靶物質(zhì)作用過程中的橫向歧離正相關(guān)，即橫向歧離越大，二次離子產(chǎn)額越高。采用入射離子掠射的辦法可增加這一效應(yīng)。

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