固体表面（蚀刻）离子径迹二维空间分布的模拟研究

雷克儿

从电子的发现开始，人们便开启了对于粒子辐照效应的探索。随着多年的发展，对于高能粒子尤其是重离子与固体块状材料的相互作用方面，科研人员们已经建立了多种模型来阐述其相互作用机理，并通过辐照实验获得了丰富的研究结果。这些研究结果可以用来解释材料辐照中的各种辐照效应，从而帮助人们理解材料辐照中缺陷的产生，进而为人们利用辐照效应提供了理论依据。如今固体辐照已经渗透进了各个领域，不仅可以利用粒子辐照来对材料进行改性，也可以利用辐照过的聚合物制备性质独特的核孔膜，还可以用地面的重离子加速器来研究电子器件在宇宙空间中的单粒子效应，甚至可以为人们现代农业、生物产业和医疗等方面提供新的思路和手段。然而无论是离子辐照后径迹的观察，还是核孔膜的制备，或者单粒子效应实验的实施，离子辐照的二维分布情况是这些实验需要考虑和研究的共同问题。以前需要在辐照后进行蚀刻，在电镜下观察其分布情况，如果辐照结果不能满足需求或是实验参数需要改变，则需要重新设计并再次辐照，这需要消耗很大的时间成本和经济成本。因此离子辐照在固体表面二维分布的研究具有着重要意义。本文利用蒙特卡洛式的模拟来研究固体表面离子径迹的二维空间分布。假设辐照结果可以看作二维空间内的均匀分布，可以采用随机数的方法来进行模拟。一方面可以在实验前预测可能会出现的实验结果，另一方面可以利用这些数据来研究其统计规律，为之后实验的设计提供一定的参考。在此基础上，我们通过与实验结果进行对比验证了这种方法的可靠性，同时计算了聚合物核孔膜中的有效孔隙率随着蚀刻孔径增加的变化关系，得到了通过聚合物离子辐照注量和预计蚀刻孔径来计算核孔膜有效孔隙率的经验公式。对离子辐照与固体表面离子径迹二维空间分布的均匀度做出评估，得到了固体表面二维空间分布的不均匀性与观测范围之间的关系，可以为设计相关辐照实验提供参考。最后通过固体表面离子径迹二维坐标分布的模拟，对离子径迹之间的最近邻、次近邻等参数进行了统计，并通过得到的统计数据计算了重离子核孔膜的重孔概率与核孔膜有效孔隙率之间的关系