快重離子在SiO?基材料中強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)的深度剖析與前沿探索一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)的前沿研究領(lǐng)域中，快重離子輻照技術(shù)正逐漸嶄露頭角，成為調(diào)控材料性能、探索新型材料特性的有力工具?？熘仉x子，作為質(zhì)量和電荷數(shù)較大的離子，經(jīng)加速器加速后，可攜帶高能量轟擊目標(biāo)材料，引發(fā)一系列獨(dú)特的物理、化學(xué)效應(yīng)。這種技術(shù)與傳統(tǒng)的材料處理方法相比，具有諸多優(yōu)勢(shì)，能夠在材料內(nèi)部產(chǎn)生高密度的缺陷和復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)變化，為材料性能的優(yōu)化提供了全新的途徑。SiO?基材料，憑借其卓越的物理化學(xué)性質(zhì)，如高絕緣性、良好的光學(xué)透明性、化學(xué)穩(wěn)定性以及耐高溫性能等，在眾多領(lǐng)域中占據(jù)著不可或缺的地位。在光電子器件領(lǐng)域，SiO?基材料是制造光波導(dǎo)、光探測(cè)器、發(fā)光二極管等關(guān)鍵元件的基礎(chǔ)材料，其性能的優(yōu)劣直接影響著光信號(hào)的傳輸、探測(cè)與發(fā)射效率。在集成電路中，SiO?作為理想的絕緣層材料，有效隔離不同的電路元件，確保電子器件的穩(wěn)定運(yùn)行，隨著芯片集成度的不斷提高，對(duì)SiO?基材料的性能要求也愈發(fā)嚴(yán)苛。此外，在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、傳感器、太陽能電池以及核能等領(lǐng)域，SiO?基材料也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?？熘仉x子輻照對(duì)SiO?基材料性能的調(diào)控具有獨(dú)特作用，能夠在不改變材料整體化學(xué)成分的前提下，精確地改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)其物理、化學(xué)性能的有效調(diào)控。當(dāng)快重離子入射到SiO?基材料中時(shí)，離子與材料原子之間的相互作用主要通過電子阻止過程進(jìn)行，這會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)烈的電子激發(fā)效應(yīng)。在電子激發(fā)的作用下，材料內(nèi)部的原子鍵合狀態(tài)被破壞，產(chǎn)生大量的缺陷，如空位、間隙原子、位錯(cuò)等，這些缺陷的產(chǎn)生和演化會(huì)顯著改變材料的晶體結(jié)構(gòu)、原子排列方式以及電子態(tài)分布。隨著輻照劑量的增加，SiO?基材料可能會(huì)發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變，從原本有序的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，這一轉(zhuǎn)變會(huì)引起材料密度、硬度、彈性模量等力學(xué)性能的變化，同時(shí)也會(huì)對(duì)材料的光學(xué)、電學(xué)性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。深入研究快重離子在SiO?基材料中引起的強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)，不僅有助于揭示離子與材料相互作用的微觀物理機(jī)制，豐富和完善材料輻照損傷理論，還具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在光電子器件領(lǐng)域，通過快重離子輻照調(diào)控SiO?基材料的光學(xué)性能，有望開發(fā)出新型的光功能材料，用于制造高性能的光通信器件、光存儲(chǔ)介質(zhì)以及高效的發(fā)光材料等。在能源存儲(chǔ)領(lǐng)域，SiO?基材料作為潛在的電極材料或電解質(zhì)材料，其性能的優(yōu)化對(duì)于提高電池的能量密度、充放電效率以及循環(huán)穩(wěn)定性具有重要意義，快重離子輻照技術(shù)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了新的可能性。在航空航天、核工業(yè)等極端環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域，SiO?基材料面臨著復(fù)雜的輻照環(huán)境，研究快重離子輻照效應(yīng)有助于評(píng)估材料在實(shí)際服役條件下的性能穩(wěn)定性，為材料的合理選擇和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在過去的幾十年中，快重離子在SiO?基材料中引發(fā)的強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)研究取得了豐碩的成果。國內(nèi)外眾多科研團(tuán)隊(duì)從不同角度對(duì)這一領(lǐng)域展開了深入探索，為我們理解離子與材料相互作用的微觀機(jī)制提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。在國外，早期的研究主要聚焦于快重離子輻照對(duì)SiO?基材料結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響。[國外團(tuán)隊(duì)1]通過高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）和拉曼光譜技術(shù)，觀察到快重離子輻照后的SiO?晶體中，晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的畸變，出現(xiàn)了大量的缺陷和位錯(cuò)，這些結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致了材料的拉曼散射峰發(fā)生位移和展寬，光學(xué)吸收邊也發(fā)生了明顯的移動(dòng)。隨著研究的深入，[國外團(tuán)隊(duì)2]利用同步輻射X射線衍射（SR-XRD）和光致發(fā)光光譜（PL）等先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步揭示了輻照劑量和離子種類對(duì)SiO?基材料結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，隨著輻照劑量的增加，SiO?材料逐漸從晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)結(jié)構(gòu)，同時(shí)，材料中的發(fā)光中心濃度發(fā)生變化，導(dǎo)致其發(fā)光特性發(fā)生顯著改變。近年來，國外在快重離子輻照下SiO?基材料的電學(xué)性能研究方面取得了重要進(jìn)展。[國外團(tuán)隊(duì)3]采用深能級(jí)瞬態(tài)譜（DLTS）和電容-電壓（C-V）測(cè)量技術(shù)，研究了快重離子輻照對(duì)SiO?基MOS結(jié)構(gòu)電學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，輻照會(huì)在SiO?材料中引入大量的陷阱能級(jí)，這些陷阱能級(jí)會(huì)捕獲載流子，從而改變材料的電學(xué)性能，如增加漏電流、降低載流子遷移率等。此外，[國外團(tuán)隊(duì)4]通過第一性原理計(jì)算，從理論上分析了快重離子輻照在SiO?材料中產(chǎn)生的缺陷對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響，為解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提供了理論依據(jù)。在國內(nèi)，相關(guān)研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。中國科學(xué)院近代物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)在快重離子輻照SiO?基材料領(lǐng)域開展了一系列系統(tǒng)性的研究工作。[國內(nèi)團(tuán)隊(duì)1]利用蘭州重離子加速器提供的高能重離子束，對(duì)SiO?薄膜進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，通過原子力顯微鏡（AFM）和X射線光電子能譜（XPS）分析，發(fā)現(xiàn)輻照會(huì)導(dǎo)致SiO?薄膜表面粗糙度增加，化學(xué)鍵發(fā)生斷裂和重組，材料的化學(xué)組成和表面形貌發(fā)生明顯變化。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還研究了快重離子輻照對(duì)SiO?基光波導(dǎo)器件光學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)輻照可以有效地調(diào)控光波導(dǎo)的折射率分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的調(diào)制。北京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)則側(cè)重于快重離子輻照在SiO?基材料中引起的微觀物理機(jī)制研究。[國內(nèi)團(tuán)隊(duì)2]通過分子動(dòng)力學(xué)模擬和蒙特卡羅模擬相結(jié)合的方法，深入研究了快重離子與SiO?材料原子之間的相互作用過程，揭示了電子激發(fā)效應(yīng)在離子能量損失、原子位移和缺陷產(chǎn)生等方面的重要作用。此外，他們還利用高分辨電子能量損失譜（HREELS）研究了輻照后SiO?材料的電子態(tài)變化，為理解材料性能變化的微觀本質(zhì)提供了重要信息。盡管國內(nèi)外在快重離子在SiO?基材料中引起的強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)研究方面已經(jīng)取得了顯著的成果，但仍存在一些不足之處。一方面，目前的研究主要集中在特定的離子種類、能量和輻照劑量范圍內(nèi)，對(duì)于更廣泛條件下的離子與材料相互作用規(guī)律的研究還不夠深入，不同實(shí)驗(yàn)條件下的研究結(jié)果之間缺乏系統(tǒng)性的對(duì)比和分析。另一方面，雖然對(duì)輻照引起的材料結(jié)構(gòu)和性能變化的實(shí)驗(yàn)研究較為豐富，但對(duì)于微觀物理機(jī)制的理論解釋還存在一定的爭(zhēng)議，現(xiàn)有的理論模型還不能完全準(zhǔn)確地描述離子與材料相互作用的復(fù)雜過程。此外，在快重離子輻照對(duì)SiO?基材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性影響方面的研究還相對(duì)較少，這對(duì)于SiO?基材料在實(shí)際應(yīng)用中的性能評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)至關(guān)重要。本研究將針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，開展系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究。通過采用多種先進(jìn)的材料表征技術(shù)，如高分辨透射電子顯微鏡、同步輻射X射線衍射、光致發(fā)光光譜、深能級(jí)瞬態(tài)譜等，全面研究不同離子種類、能量和輻照劑量下快重離子在SiO?基材料中引起的結(jié)構(gòu)、光學(xué)、電學(xué)性能變化。同時(shí)，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬、蒙特卡羅模擬和第一性原理計(jì)算等理論方法，深入探討強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)的微觀物理機(jī)制，建立更加完善的理論模型。此外，還將研究快重離子輻照對(duì)SiO?基材料長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性的影響，為SiO?基材料在光電子器件、集成電路、能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究快重離子在SiO?基材料中引起的強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)，全面揭示其物理機(jī)制、影響因素以及潛在的應(yīng)用價(jià)值。具體研究目標(biāo)與內(nèi)容如下：理論分析：運(yùn)用量子力學(xué)、固體物理等相關(guān)理論，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD）、蒙特卡羅模擬（MC）以及第一性原理計(jì)算等方法，構(gòu)建快重離子與SiO?基材料相互作用的理論模型。深入分析離子在材料中的能量損失機(jī)制，包括電子阻止和核阻止過程，研究電子激發(fā)與材料原子位移、缺陷產(chǎn)生之間的內(nèi)在聯(lián)系，從微觀層面闡述強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)的物理本質(zhì)。實(shí)驗(yàn)研究：利用蘭州重離子加速器等大型科研設(shè)施，開展快重離子輻照SiO?基材料的實(shí)驗(yàn)研究。系統(tǒng)地改變離子種類（如C、N、O、Ar、Kr、Xe等）、能量（MeV-GeV量級(jí)）和輻照劑量（101?-101?ions/cm2），采用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）等微觀結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，精確觀察輻照前后SiO?基材料的微觀結(jié)構(gòu)變化，包括晶體結(jié)構(gòu)、缺陷類型與分布、原子排列等；運(yùn)用X射線光電子能譜（XPS）、拉曼光譜（Raman）、光致發(fā)光光譜（PL）等成分與光學(xué)性能分析手段，深入研究材料的化學(xué)組成、化學(xué)鍵狀態(tài)以及光學(xué)性能的變化規(guī)律；借助四探針法、霍爾效應(yīng)測(cè)試等電學(xué)性能測(cè)試技術(shù)，全面分析輻照對(duì)SiO?基材料電學(xué)性能的影響，如電阻率、載流子濃度與遷移率等。影響因素研究：詳細(xì)探討離子能量、劑量、種類以及材料初始狀態(tài)（如晶體取向、雜質(zhì)含量、缺陷密度等）對(duì)強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)的影響規(guī)律。通過控制變量法，設(shè)計(jì)一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)，深入分析各因素對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性能變化的影響程度，建立相關(guān)的定量關(guān)系，為材料性能的精確調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。應(yīng)用探索：基于對(duì)快重離子在SiO?基材料中引起強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)的深入理解，探索其在光電子器件、集成電路、能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。例如，研究如何利用輻照調(diào)控SiO?基光波導(dǎo)的折射率分布，實(shí)現(xiàn)高性能的光通信器件；探索輻照對(duì)SiO?基材料作為集成電路絕緣層可靠性的影響，為提高芯片性能提供技術(shù)支持；研究輻照改性后的SiO?基材料在鋰離子電池、超級(jí)電容器等能源存儲(chǔ)設(shè)備中的應(yīng)用潛力，為開發(fā)新型高性能能源存儲(chǔ)材料提供新思路。長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究：開展快重離子輻照后SiO?基材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究，考察材料在不同環(huán)境條件下（如溫度、濕度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等）性能隨時(shí)間的變化規(guī)律。通過加速老化實(shí)驗(yàn)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，評(píng)估輻照對(duì)材料使用壽命和可靠性的影響，為SiO?基材料在實(shí)際應(yīng)用中的性能預(yù)測(cè)和壽命評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究將采用理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合性研究方法，全面深入地探究快重離子在SiO?基材料中引起的強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)。具體技術(shù)路線如下：樣品制備：采用化學(xué)氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）等方法，在硅襯底或其他合適的基底上制備高質(zhì)量的SiO?薄膜和塊狀SiO?材料。通過精確控制制備工藝參數(shù)，如沉積溫度、氣體流量、反應(yīng)時(shí)間等，調(diào)控SiO?基材料的初始結(jié)構(gòu)和性能，包括薄膜的厚度、結(jié)晶度、雜質(zhì)含量等。同時(shí)，準(zhǔn)備不同類型的SiO?基材料，如多晶SiO?、非晶SiO?以及摻雜特定元素的SiO?材料，以研究材料初始狀態(tài)對(duì)強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)的影響。輻照實(shí)驗(yàn)：利用蘭州重離子加速器提供的高能重離子束，對(duì)制備好的SiO?基材料進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)。根據(jù)研究目標(biāo)，系統(tǒng)地改變離子種類（如C、N、O、Ar、Kr、Xe等）、能量（MeV-GeV量級(jí)）和輻照劑量（101?-101?ions/cm2）。在輻照過程中，使用高精度的束流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)離子束的能量、通量、束斑大小等參數(shù)，確保輻照實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。同時(shí)，采用合適的樣品夾具和靶室，保證樣品在輻照過程中的穩(wěn)定性，并控制輻照環(huán)境的溫度、氣壓等條件，減少外界因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。性能表征：運(yùn)用多種先進(jìn)的材料表征技術(shù)，對(duì)輻照前后的SiO?基材料進(jìn)行全面的性能分析。微觀結(jié)構(gòu)表征：采用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM），觀察材料的晶體結(jié)構(gòu)、缺陷類型與分布、原子排列等微觀結(jié)構(gòu)變化，分辨率達(dá)到原子尺度，獲取材料在輻照過程中晶格畸變、位錯(cuò)產(chǎn)生、非晶化區(qū)域形成等信息；利用掃描電子顯微鏡（SEM），結(jié)合能譜分析（EDS），觀察材料的表面形貌和元素分布變化，分析輻照對(duì)材料表面粗糙度、微觀缺陷和化學(xué)成分的影響；使用原子力顯微鏡（AFM），精確測(cè)量材料表面的納米級(jí)形貌變化，獲取表面粗糙度、起伏高度等參數(shù)，研究輻照對(duì)材料表面微觀力學(xué)性能的影響。成分與光學(xué)性能分析：借助X射線光電子能譜（XPS），分析材料的化學(xué)組成和化學(xué)鍵狀態(tài)變化，確定輻照引起的元素價(jià)態(tài)變化、化學(xué)鍵斷裂與重組情況，研究輻照對(duì)材料化學(xué)穩(wěn)定性的影響；利用拉曼光譜（Raman），探測(cè)材料的晶格振動(dòng)模式變化，分析輻照引起的晶體結(jié)構(gòu)變化和缺陷產(chǎn)生對(duì)拉曼散射峰的影響，獲取材料結(jié)構(gòu)變化的指紋信息；通過光致發(fā)光光譜（PL），研究材料的發(fā)光特性變化，分析輻照引入的發(fā)光中心和缺陷對(duì)發(fā)光強(qiáng)度、波長(zhǎng)、壽命等參數(shù)的影響，探索輻照調(diào)控SiO?基材料光學(xué)性能的機(jī)制。電學(xué)性能測(cè)試：采用四探針法測(cè)量材料的電阻率，研究輻照對(duì)材料導(dǎo)電性能的影響；利用霍爾效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量載流子濃度和遷移率，分析輻照對(duì)材料電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)的影響，探討輻照引入的缺陷和電子態(tài)變化與電學(xué)性能之間的關(guān)系。理論計(jì)算與模擬：結(jié)合量子力學(xué)、固體物理等相關(guān)理論，運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬（MD）、蒙特卡羅模擬（MC）和第一性原理計(jì)算等方法，對(duì)快重離子與SiO?基材料的相互作用過程進(jìn)行理論研究。分子動(dòng)力學(xué)模擬：建立SiO?基材料的原子模型，模擬快重離子在材料中的運(yùn)動(dòng)軌跡、能量損失過程以及原子的位移和缺陷產(chǎn)生過程。通過模擬不同離子種類、能量和輻照劑量下的相互作用過程，分析離子與材料原子之間的碰撞機(jī)制、能量傳遞方式以及缺陷的形成和演化規(guī)律，獲得材料微觀結(jié)構(gòu)隨輻照過程的動(dòng)態(tài)變化信息。蒙特卡羅模擬：利用蒙特卡羅方法模擬快重離子在SiO?基材料中的散射過程和能量沉積分布?？紤]離子與材料原子之間的彈性散射和非彈性散射，計(jì)算離子在材料中的射程、能量損失分布以及產(chǎn)生的缺陷分布，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析提供理論參考。第一性原理計(jì)算：基于密度泛函理論（DFT），計(jì)算輻照前后SiO?基材料的電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度。分析輻照引入的缺陷對(duì)電子態(tài)的影響，揭示強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)與材料電學(xué)、光學(xué)性能變化之間的微觀物理機(jī)制，從理論上解釋實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象，并預(yù)測(cè)材料性能的變化趨勢(shì)。數(shù)據(jù)分析與模型建立：對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論模擬得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和處理。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，分析離子能量、劑量、種類以及材料初始狀態(tài)等因素與材料結(jié)構(gòu)和性能變化之間的定量關(guān)系?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)果，建立快重離子在SiO?基材料中引起強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)的物理模型，描述離子與材料相互作用的微觀過程、缺陷產(chǎn)生和演化機(jī)制以及材料性能變化規(guī)律。通過模型的建立和驗(yàn)證，深入理解強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)的本質(zhì)，為SiO?基材料的性能調(diào)控和應(yīng)用開發(fā)提供理論指導(dǎo)。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1快重離子與物質(zhì)相互作用理論2.1.1能量損失機(jī)制快重離子在SiO?基材料中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)與材料中的原子核和電子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致其能量逐漸損失。這一能量損失過程主要通過兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)：電子能損（electronicenergyloss）和核能損（nuclearenergyloss），它們?cè)陔x子與材料相互作用過程中扮演著不同的角色，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生著各異的影響。電子能損，又被稱為電子阻止（electronicstopping），是快重離子與材料中電子相互作用的結(jié)果。當(dāng)快重離子入射到SiO?基材料中時(shí)，離子的強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)與材料中的電子發(fā)生非彈性散射。在這個(gè)過程中，離子將部分能量傳遞給電子，使電子被激發(fā)到更高的能級(jí)，甚至脫離原子形成自由電子，這一過程會(huì)導(dǎo)致離子的能量損失。從微觀角度來看，電子能損是一個(gè)連續(xù)的能量轉(zhuǎn)移過程，其大小與離子的速度、電荷數(shù)以及材料的電子密度等因素密切相關(guān)。根據(jù)Bethe理論，電子阻止本領(lǐng)（S_{e}）可以用以下公式表示：S_{e}=\frac{4\pie^{4}Z_{1}^{2}Z_{2}}{m_{e}v^{2}}\ln\left(\frac{2m_{e}v^{2}}{I}\right)其中，e是電子電荷，Z_{1}是入射離子的電荷數(shù)，Z_{2}是靶材料原子的電子數(shù)，m_{e}是電子質(zhì)量，v是離子速度，I是靶材料的平均激發(fā)能。電子能損對(duì)SiO?基材料的結(jié)構(gòu)和性能有著顯著的影響。由于電子能損導(dǎo)致材料中電子的激發(fā)和電離，會(huì)產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)。這些電子-空穴對(duì)在復(fù)合過程中會(huì)釋放出能量，可能引起材料內(nèi)部的局部加熱，導(dǎo)致原子的熱振動(dòng)加劇。當(dāng)電子能損足夠高時(shí)，會(huì)引發(fā)材料的熱峰效應(yīng)（thermalspikeeffect），使材料局部區(qū)域的溫度在極短時(shí)間內(nèi)急劇升高，甚至達(dá)到材料的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)。在這種高溫高壓的極端條件下，材料的原子鍵合狀態(tài)被破壞，原子發(fā)生重排，從而導(dǎo)致材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，如產(chǎn)生空位、間隙原子、位錯(cuò)等缺陷，甚至可能引發(fā)材料的非晶化轉(zhuǎn)變。此外，電子能損還會(huì)影響材料的光學(xué)性能，例如改變材料的吸收光譜和發(fā)光特性，這是因?yàn)殡娮拥募ぐl(fā)和躍遷會(huì)改變材料的電子態(tài)分布，從而影響光子與材料的相互作用。核能損，也稱為核阻止（nuclearstopping），是快重離子與材料中原子核發(fā)生彈性碰撞的結(jié)果。當(dāng)快重離子靠近材料原子核時(shí)，離子與原子核之間的庫侖力會(huì)使離子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，同時(shí)離子將部分能量傳遞給原子核，導(dǎo)致原子核發(fā)生反沖。這種能量損失過程是離散的，每次碰撞傳遞的能量相對(duì)較大。核能損的大小主要取決于離子和原子核的質(zhì)量、速度以及它們之間的相互作用勢(shì)。與電子能損相比，核能損在低能離子輻照時(shí)更為顯著，因?yàn)樵诘湍芮闆r下，離子與原子核之間的庫侖相互作用更強(qiáng)。核阻止本領(lǐng)（S_{n}）可以通過Lindhard-Scharff理論進(jìn)行計(jì)算，其表達(dá)式較為復(fù)雜，通常與離子的能量、質(zhì)量以及靶材料的原子質(zhì)量等因素有關(guān)。核能損對(duì)SiO?基材料的影響主要體現(xiàn)在原子位移方面。當(dāng)原子核獲得足夠的能量時(shí)，會(huì)離開其原來的晶格位置，形成間隙原子，而原來的晶格位置則留下空位，這就是所謂的Frenkel缺陷對(duì)。這些缺陷的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致材料的晶格畸變，影響材料的力學(xué)性能，如硬度、彈性模量等。此外，大量的原子位移還可能導(dǎo)致材料的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，例如使晶體的取向發(fā)生改變，或者引發(fā)晶體結(jié)構(gòu)的相變。然而，與電子能損相比，在快重離子輻照SiO?基材料的過程中，核能損所占的比例相對(duì)較小，尤其是在高能離子輻照時(shí)，電子能損通常占據(jù)主導(dǎo)地位。在實(shí)際的快重離子輻照過程中，電子能損和核能損往往同時(shí)存在，它們相互作用，共同影響著材料的結(jié)構(gòu)和性能變化。在低能離子輻照時(shí)，核能損可能對(duì)材料的損傷起主要作用，導(dǎo)致材料中產(chǎn)生大量的原子位移和晶格缺陷；而在高能離子輻照時(shí)，電子能損則成為主導(dǎo)因素，通過熱峰效應(yīng)等機(jī)制，引發(fā)材料更為復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)變化和性能改變。深入理解這兩種能量損失機(jī)制及其對(duì)材料的影響，對(duì)于研究快重離子在SiO?基材料中引起的強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)至關(guān)重要。2.1.2熱峰模型熱峰模型（thermalspikemodel）是描述快重離子輻照過程中材料局部區(qū)域溫度升高和原子動(dòng)力學(xué)過程的重要理論模型。該模型基于快重離子與材料相互作用時(shí)的電子能損機(jī)制，認(rèn)為當(dāng)快重離子在材料中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于電子能損，離子將大量能量迅速沉積在其徑跡周圍的極小區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的電子和原子獲得極高的能量，形成一個(gè)高溫、高壓的局部熱區(qū)域，即熱峰。熱峰模型的基本原理可以從微觀層面進(jìn)行解釋。在快重離子輻照過程中，離子與材料中的電子發(fā)生非彈性散射，離子的能量快速傳遞給電子，使電子被激發(fā)到高能態(tài)，形成高能電子氣。這些高能電子在極短時(shí)間內(nèi)（皮秒到飛秒量級(jí)）與周圍的原子發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，通過電子-聲子耦合機(jī)制，將能量傳遞給晶格原子，導(dǎo)致晶格原子的熱振動(dòng)急劇增強(qiáng)。由于能量沉積區(qū)域非常?。{米尺度），在如此小的體積內(nèi)短時(shí)間內(nèi)聚集了大量能量，使得該區(qū)域的溫度在瞬間（飛秒到皮秒量級(jí)）急劇升高，形成一個(gè)高溫?zé)岱?。例如，?duì)于能量為MeV-GeV量級(jí)的快重離子，在SiO?基材料中產(chǎn)生的熱峰溫度可高達(dá)數(shù)千開爾文，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過SiO?的熔點(diǎn)（約1713℃）。在熱峰形成后，材料內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的原子動(dòng)力學(xué)過程。在高溫?zé)岱鍏^(qū)域，原子的熱振動(dòng)能量超過了原子間的結(jié)合能，原子的鍵合狀態(tài)被破壞，原子開始發(fā)生劇烈的擴(kuò)散和重排。這種原子的擴(kuò)散和重排過程在熱峰存在的短暫時(shí)間內(nèi)（皮秒到納秒量級(jí)）迅速進(jìn)行，導(dǎo)致材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。具體表現(xiàn)為，在熱峰區(qū)域內(nèi)，原本有序的晶體結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生大量的缺陷，如空位、間隙原子、位錯(cuò)等。隨著熱峰溫度的逐漸降低，原子的擴(kuò)散和重排過程逐漸減緩，最終形成穩(wěn)定的缺陷結(jié)構(gòu)。如果熱峰溫度足夠高且持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，材料可能會(huì)發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變，從晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。熱峰模型的關(guān)鍵參數(shù)包括熱峰溫度、熱峰持續(xù)時(shí)間和熱峰尺寸。熱峰溫度是熱峰模型中最重要的參數(shù)之一，它直接決定了材料內(nèi)部原子動(dòng)力學(xué)過程的劇烈程度和微觀結(jié)構(gòu)變化的程度。熱峰溫度主要取決于快重離子的能量、電荷數(shù)以及材料的電子密度等因素，離子的能量和電荷數(shù)越高，在材料中沉積的能量就越多，熱峰溫度也就越高。熱峰持續(xù)時(shí)間是指熱峰從形成到冷卻的時(shí)間間隔，它通常在飛秒到納秒量級(jí)，熱峰持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短影響著原子擴(kuò)散和重排的程度，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，原子有更多的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散和重排，材料的微觀結(jié)構(gòu)變化也就越顯著。熱峰尺寸則是指熱峰影響的空間范圍，一般在納米尺度，熱峰尺寸的大小決定了材料中發(fā)生微觀結(jié)構(gòu)變化的區(qū)域大小。熱峰模型在解釋快重離子輻照SiO?基材料的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象方面取得了很大的成功。例如，通過熱峰模型可以很好地解釋輻照后SiO?材料中出現(xiàn)的非晶化現(xiàn)象。當(dāng)快重離子在SiO?材料中產(chǎn)生的熱峰溫度超過SiO?的熔點(diǎn)時(shí)，在熱峰區(qū)域內(nèi)的SiO?原子會(huì)處于液態(tài)，隨著熱峰的冷卻，這些液態(tài)原子會(huì)快速凝固，由于原子來不及有序排列，從而形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。此外，熱峰模型還可以解釋輻照后材料中缺陷的形成和分布規(guī)律，以及材料光學(xué)、電學(xué)性能的變化等現(xiàn)象。然而，熱峰模型也存在一定的局限性，它在描述一些復(fù)雜的微觀過程時(shí)還不夠精確，例如電子-聲子耦合過程的細(xì)節(jié)、熱峰與周圍材料區(qū)域的相互作用等，這些問題仍需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。2.2SiO?基材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2.2.1SiO?的晶體結(jié)構(gòu)與非晶結(jié)構(gòu)SiO?是一種廣泛存在且具有重要應(yīng)用價(jià)值的化合物，其結(jié)構(gòu)形式主要包括晶體結(jié)構(gòu)和非晶結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)在原子排列方式、物理性質(zhì)等方面存在顯著差異，這些差異也導(dǎo)致它們?cè)诳熘仉x子輻照下表現(xiàn)出不同的響應(yīng)特性。在晶體結(jié)構(gòu)方面，SiO?常見的晶體相有石英、鱗石英和方石英等，它們均由硅氧四面體（SiO?）作為基本結(jié)構(gòu)單元通過共用氧原子連接而成。以α-石英為例，其晶體結(jié)構(gòu)屬于三方晶系，空間群為P3?21或P3?21。在α-石英晶體中，硅氧四面體以螺旋鏈的方式排列，形成了有序的三維晶格結(jié)構(gòu)。硅原子位于四面體的中心，四個(gè)氧原子位于四面體的頂點(diǎn)，硅-氧鍵的鍵長(zhǎng)約為0.161nm，鍵角約為109.5°。這種有序的晶體結(jié)構(gòu)賦予了α-石英許多獨(dú)特的物理性質(zhì)，如較高的硬度、良好的熱穩(wěn)定性和光學(xué)各向異性等。由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性和對(duì)稱性，快重離子在晶體SiO?中輻照時(shí)，離子與晶體原子的相互作用具有一定的規(guī)律性。離子的能量損失和原子位移主要發(fā)生在特定的晶向和晶面上，輻照產(chǎn)生的缺陷也會(huì)沿著晶體的晶格結(jié)構(gòu)分布。當(dāng)快重離子沿著α-石英的c軸方向入射時(shí)，由于c軸方向上原子排列的緊密程度和化學(xué)鍵的強(qiáng)度與其他方向不同，離子在該方向上的能量損失和引起的原子位移情況會(huì)與其他方向有所差異，從而導(dǎo)致輻照產(chǎn)生的缺陷分布呈現(xiàn)出各向異性。SiO?的非晶結(jié)構(gòu)，即無定形SiO?，是一種無序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在非晶SiO?中，硅氧四面體同樣是基本結(jié)構(gòu)單元，但它們的排列方式是無序的，不存在長(zhǎng)程有序的晶格結(jié)構(gòu)。非晶SiO?中的硅-氧鍵長(zhǎng)和鍵角存在一定的分布范圍，平均硅-氧鍵長(zhǎng)約為0.160nm，鍵角在100°-120°之間。這種無序的結(jié)構(gòu)使得非晶SiO?具有一些與晶體SiO?不同的性質(zhì)，如光學(xué)各向同性、較低的硬度和較高的化學(xué)活性等。在快重離子輻照非晶SiO?時(shí)，由于原子排列的無序性，離子與原子的相互作用更加隨機(jī)。離子在材料中的能量損失和原子位移沒有明顯的方向性，輻照產(chǎn)生的缺陷在材料內(nèi)部均勻分布。與晶體SiO?相比，非晶SiO?對(duì)快重離子輻照的響應(yīng)更為均勻，不易出現(xiàn)因晶體結(jié)構(gòu)各向異性導(dǎo)致的缺陷分布差異。但由于非晶結(jié)構(gòu)中原子間的結(jié)合力相對(duì)較弱，在相同輻照條件下，非晶SiO?更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，如原子的重排和化學(xué)鍵的斷裂重組，從而導(dǎo)致材料的性能發(fā)生較大改變。晶體結(jié)構(gòu)和非晶結(jié)構(gòu)的SiO?在快重離子輻照下的非晶化轉(zhuǎn)變行為也存在差異。對(duì)于晶體SiO?，輻照導(dǎo)致的非晶化過程是一個(gè)從晶體結(jié)構(gòu)逐漸向無序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程，需要克服一定的能量勢(shì)壘。當(dāng)輻照劑量達(dá)到一定閾值時(shí)，晶體中的缺陷密度逐漸增加，晶格結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，最終發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變。而對(duì)于非晶SiO?，由于其本身結(jié)構(gòu)的無序性，在快重離子輻照下，主要是進(jìn)一步加劇原子的無序排列和化學(xué)鍵的破壞，可能導(dǎo)致材料的密度、硬度等性能發(fā)生變化，但不一定會(huì)發(fā)生明顯的非晶化轉(zhuǎn)變。研究表明，在相同的輻照劑量下，晶體SiO?發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變的程度可能比非晶SiO?更為顯著。2.2.2SiO?基材料的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)SiO?基材料憑借其獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，在光電子學(xué)、微電子學(xué)等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用價(jià)值。深入了解這些基本性質(zhì)，對(duì)于探究快重離子輻照對(duì)SiO?基材料性能的影響機(jī)制至關(guān)重要。在光學(xué)性質(zhì)方面，SiO?基材料具有出色的光學(xué)透明性。在可見光波段，純凈的SiO?材料的透過率高達(dá)90%以上，這使得它成為制造光學(xué)鏡片、光纖、光波導(dǎo)等光傳輸器件的理想材料。其高透明性源于SiO?的能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，SiO?是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，禁帶寬度約為9eV。在可見光能量范圍內(nèi)（1.6-3.1eV），光子能量不足以激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，因此大部分可見光能夠透過SiO?材料。此外，SiO?基材料還表現(xiàn)出一定的光學(xué)非線性特性。當(dāng)強(qiáng)光入射時(shí)，材料的極化強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度之間不再滿足線性關(guān)系，會(huì)產(chǎn)生二次諧波、三次諧波等非線性光學(xué)效應(yīng)。這種非線性光學(xué)特性在光通信、光計(jì)算等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，例如可用于制造光開關(guān)、光調(diào)制器等光電器件。在某些特殊制備的SiO?納米結(jié)構(gòu)中，通過控制納米結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀，可以增強(qiáng)其非線性光學(xué)響應(yīng)，為開發(fā)新型的非線性光學(xué)材料提供了可能。SiO?基材料的發(fā)光特性也備受關(guān)注。在特定條件下，如通過摻雜稀土離子（如Eu3?、Tb3?等）或引入缺陷（如氧空位等），SiO?基材料可以產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。摻雜稀土離子的SiO?基材料，其發(fā)光機(jī)制主要源于稀土離子的能級(jí)躍遷。稀土離子具有豐富的能級(jí)結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到激發(fā)光照射時(shí)，電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，然后通過輻射躍遷回到基態(tài)，發(fā)射出特定波長(zhǎng)的光子，產(chǎn)生特征發(fā)光。例如，摻雜Eu3?的SiO?材料在紫外光激發(fā)下，會(huì)發(fā)出紅色的熒光，這是由于Eu3?離子的?D?→?F?、?D?→?F?、?D?→?F?等能級(jí)躍遷引起的。而引入氧空位的SiO?材料，其發(fā)光則與氧空位形成的缺陷能級(jí)有關(guān)。氧空位作為一種缺陷，會(huì)在SiO?的禁帶中引入中間能級(jí)，電子在這些能級(jí)之間的躍遷會(huì)產(chǎn)生發(fā)光，通常表現(xiàn)為藍(lán)光或綠光發(fā)射。這些發(fā)光特性使得SiO?基材料在發(fā)光二極管、熒光傳感器等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。從電學(xué)性質(zhì)來看，SiO?基材料是一種優(yōu)良的絕緣體，其電阻率高達(dá)101?-101?Ω?cm。這主要是因?yàn)镾iO?的價(jià)帶被電子完全占據(jù)，導(dǎo)帶為空帶，且禁帶寬度較大，電子難以從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶形成導(dǎo)電載流子。在集成電路中，SiO?常被用作絕緣層，用于隔離不同的導(dǎo)電區(qū)域，防止電流泄漏，確保電子器件的正常工作。然而，當(dāng)SiO?基材料中存在雜質(zhì)或缺陷時(shí)，其電學(xué)性能會(huì)發(fā)生顯著變化。例如，當(dāng)SiO?中摻入少量的磷、硼等雜質(zhì)原子時(shí)，會(huì)引入雜質(zhì)能級(jí)，使材料的導(dǎo)電性發(fā)生改變。若摻入的是磷原子，磷原子會(huì)提供一個(gè)額外的電子，形成n型半導(dǎo)體；若摻入的是硼原子，硼原子會(huì)接受一個(gè)電子，形成p型半導(dǎo)體。此外，快重離子輻照也會(huì)在SiO?基材料中引入大量的缺陷，如空位、間隙原子、位錯(cuò)等，這些缺陷會(huì)改變材料的電子態(tài)分布，產(chǎn)生新的能級(jí)，從而影響材料的電學(xué)性能，如導(dǎo)致電阻率下降、產(chǎn)生漏電流等。研究發(fā)現(xiàn)，隨著輻照劑量的增加，SiO?基材料中的缺陷密度逐漸增大，材料的電學(xué)性能變化也更加明顯。三、實(shí)驗(yàn)研究3.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備3.1.1SiO?基材料的選擇與制備本研究選用了兩種典型的SiO?基材料，分別是熱氧化法制備的單晶SiO?薄膜和化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備的多晶SiO?薄膜。選擇這兩種材料的原因在于，它們代表了SiO?基材料的兩種常見結(jié)構(gòu)形態(tài)，單晶SiO?薄膜具有高度有序的晶體結(jié)構(gòu)，而多晶SiO?薄膜則由眾多微小的晶粒組成，晶粒之間存在晶界。這兩種結(jié)構(gòu)形態(tài)在快重離子輻照下的響應(yīng)特性可能存在顯著差異，通過對(duì)它們的研究，可以更全面地了解快重離子在不同結(jié)構(gòu)SiO?基材料中引起的強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)。對(duì)于熱氧化法制備單晶SiO?薄膜，采用高質(zhì)量的硅單晶片作為基底，其晶向?yàn)椋?00）。將硅片依次在丙酮、乙醇和去離子水中進(jìn)行超聲清洗，以去除表面的有機(jī)物和雜質(zhì)。清洗后的硅片放入高溫氧化爐中，在干燥氧氣氛圍下進(jìn)行熱氧化反應(yīng)。氧化溫度設(shè)定為1100℃，氧化時(shí)間根據(jù)所需薄膜厚度進(jìn)行調(diào)整，通過控制氧化時(shí)間，可以精確制備出厚度在50-500nm范圍內(nèi)的單晶SiO?薄膜。在氧化過程中，氧氣分子與硅表面的硅原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成SiO?層，隨著氧化時(shí)間的增加，SiO?薄膜逐漸生長(zhǎng)。熱氧化法制備的單晶SiO?薄膜具有與硅基底良好的界面兼容性，薄膜的質(zhì)量高，缺陷密度低，能夠?yàn)檠芯靠熘仉x子輻照效應(yīng)提供較為理想的初始材料?；瘜W(xué)氣相沉積法制備多晶SiO?薄膜時(shí)，選用的基底為石英玻璃片，這種基底具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)透明性，不會(huì)對(duì)多晶SiO?薄膜的性能產(chǎn)生干擾。以硅烷（SiH?）和氧氣（O?）作為反應(yīng)氣體，在等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）設(shè)備中進(jìn)行沉積。沉積過程中，反應(yīng)氣體在射頻電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生等離子體，硅烷分子在等離子體中分解，硅原子與氧原子結(jié)合，在基底表面沉積形成SiO?薄膜。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的流量、射頻功率、沉積溫度和沉積時(shí)間等工藝參數(shù)，可以控制多晶SiO?薄膜的生長(zhǎng)速率、結(jié)晶質(zhì)量和化學(xué)組成。在本實(shí)驗(yàn)中，沉積溫度設(shè)定為350℃，硅烷流量為20sccm，氧氣流量為100sccm，射頻功率為100W，沉積時(shí)間為60min，制備得到的多晶SiO?薄膜厚度約為300nm。采用這種方法制備的多晶SiO?薄膜具有沉積速率快、均勻性好的優(yōu)點(diǎn)，且可以在較低溫度下進(jìn)行沉積，適用于多種基底材料。為了確保制備的SiO?基材料質(zhì)量和一致性，對(duì)每一批次制備的薄膜進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)。使用原子力顯微鏡（AFM）對(duì)薄膜表面的粗糙度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示，熱氧化法制備的單晶SiO?薄膜表面粗糙度均方根（RMS）小于0.5nm，表明其表面非常平整；化學(xué)氣相沉積法制備的多晶SiO?薄膜表面粗糙度RMS約為1-2nm，雖然略高于單晶SiO?薄膜，但仍在可接受范圍內(nèi)。通過X射線衍射（XRD）分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，熱氧化法制備的薄膜為典型的單晶SiO?結(jié)構(gòu)，具有明顯的衍射峰；化學(xué)氣相沉積法制備的薄膜呈現(xiàn)多晶結(jié)構(gòu)，衍射峰較寬且強(qiáng)度較弱，說明其晶粒尺寸較小且結(jié)晶度相對(duì)較低。此外，還利用X射線光電子能譜（XPS）對(duì)薄膜的化學(xué)組成進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，兩種方法制備的SiO?薄膜中Si和O的原子比例接近1:2，表明薄膜的化學(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確，純度較高。通過這些質(zhì)量檢測(cè)手段，保證了實(shí)驗(yàn)所用SiO?基材料的質(zhì)量和一致性，為后續(xù)的快重離子輻照實(shí)驗(yàn)提供了可靠的材料基礎(chǔ)。3.1.2快重離子輻照設(shè)備與參數(shù)設(shè)置本研究采用蘭州重離子加速器（HIRFL）進(jìn)行快重離子輻照實(shí)驗(yàn)。蘭州重離子加速器是我國規(guī)模最大、加速粒子種類最多、能量最高的重離子加速器裝置，能夠提供多種離子種類和能量范圍的重離子束流，為開展快重離子與物質(zhì)相互作用的研究提供了強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該加速器主要由注入器、主加速器、冷卻儲(chǔ)存環(huán)以及實(shí)驗(yàn)終端等部分組成。注入器采用電子回旋共振（ECR）離子源產(chǎn)生高電荷態(tài)的重離子，經(jīng)過射頻四極加速器（RFQ）和漂移管直線加速器（DTL）進(jìn)行預(yù)加速，將離子能量提高到一定程度后注入主加速器。主加速器采用分離扇回旋加速器結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)一步加速離子，使其達(dá)到更高的能量。冷卻儲(chǔ)存環(huán)則用于對(duì)離子束進(jìn)行冷卻和儲(chǔ)存，提高束流品質(zhì)，為實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定的離子束流。在快重離子輻照實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)研究目的，系統(tǒng)地設(shè)置了輻照劑量、能量和離子種類等關(guān)鍵參數(shù)。離子種類選擇了碳（C）、氮（N）、氧（O）、氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）等，這些離子具有不同的質(zhì)量和電荷數(shù)，能夠研究離子質(zhì)量和電荷數(shù)對(duì)強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)的影響。離子能量范圍設(shè)定在MeV-GeV量級(jí)，通過調(diào)節(jié)加速器的加速電壓和磁場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)，可以精確控制離子的能量。例如，對(duì)于碳離子，設(shè)置了能量為100MeV、500MeV和1GeV的輻照條件；對(duì)于氬離子，設(shè)置了能量為300MeV、800MeV和1.5GeV的輻照條件。輻照劑量范圍為101?-101?ions/cm2，通過控制離子束的通量和輻照時(shí)間來實(shí)現(xiàn)不同輻照劑量的設(shè)置。在實(shí)驗(yàn)過程中，使用法拉第筒等束流監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)離子束的通量和能量，確保輻照劑量的準(zhǔn)確性。同時(shí)，為了保證輻照的均勻性，采用掃描裝置對(duì)離子束進(jìn)行掃描，使離子束均勻地輻照在樣品表面。在進(jìn)行低劑量輻照時(shí)，通過精確控制輻照時(shí)間和束流強(qiáng)度，確保輻照劑量的精度在±5%以內(nèi)；在進(jìn)行高劑量輻照時(shí)，通過多次輻照和劑量累加的方式，達(dá)到所需的輻照劑量，并通過監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)，保證劑量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。通過合理設(shè)置這些輻照參數(shù)，能夠全面研究不同條件下快重離子在SiO?基材料中引起的強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)，為揭示其物理機(jī)制和影響因素提供豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)3.2.1單因素變量實(shí)驗(yàn)為了深入探究快重離子在SiO?基材料中引起的強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一系列單因素變量實(shí)驗(yàn)，分別研究輻照劑量、離子能量、離子種類等因素對(duì)強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)的影響。在輻照劑量對(duì)強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)的影響實(shí)驗(yàn)中，選取能量為500MeV的氬離子作為輻照離子，保持離子種類和能量不變，將輻照劑量分別設(shè)置為101?ions/cm2、1012ions/cm2、101?ions/cm2和101?ions/cm2。對(duì)每個(gè)輻照劑量下的SiO?基材料樣品，分別采用熱氧化法制備的單晶SiO?薄膜和化學(xué)氣相沉積法制備的多晶SiO?薄膜。輻照后，使用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)變化，重點(diǎn)分析不同輻照劑量下缺陷的產(chǎn)生和演化情況，如空位、間隙原子、位錯(cuò)等缺陷的密度和分布特征。通過拉曼光譜（Raman）測(cè)量樣品的晶格振動(dòng)模式變化，研究輻照劑量對(duì)SiO?晶體結(jié)構(gòu)的影響，分析拉曼散射峰的位移、展寬和強(qiáng)度變化與輻照劑量之間的關(guān)系。利用光致發(fā)光光譜（PL）測(cè)試樣品的發(fā)光特性，探究輻照劑量對(duì)發(fā)光中心濃度和發(fā)光強(qiáng)度的影響，分析發(fā)光峰的波長(zhǎng)和強(qiáng)度隨輻照劑量的變化規(guī)律。預(yù)計(jì)隨著輻照劑量的增加，材料中的缺陷密度將逐漸增大，晶格結(jié)構(gòu)的破壞程度加劇，拉曼散射峰將發(fā)生明顯的位移和展寬，發(fā)光特性也將發(fā)生顯著改變，發(fā)光強(qiáng)度可能會(huì)先增強(qiáng)后減弱。在研究離子能量對(duì)強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)的影響時(shí)，選擇氬離子作為輻照離子，固定輻照劑量為1013ions/cm2，將離子能量分別設(shè)置為100MeV、300MeV、500MeV和800MeV。同樣對(duì)單晶SiO?薄膜和多晶SiO?薄膜樣品進(jìn)行輻照。采用掃描電子顯微鏡（SEM）結(jié)合能譜分析（EDS）觀察樣品的表面形貌和元素分布變化，研究離子能量對(duì)材料表面損傷和元素遷移的影響。利用X射線光電子能譜（XPS）分析樣品的化學(xué)組成和化學(xué)鍵狀態(tài)變化，探究離子能量對(duì)材料化學(xué)穩(wěn)定性和化學(xué)鍵斷裂重組的影響。通過四探針法測(cè)量樣品的電阻率，分析離子能量對(duì)材料電學(xué)性能的影響。預(yù)期隨著離子能量的增加，離子在材料中的射程增大，能量沉積范圍更廣，材料表面的損傷程度將加重，元素遷移現(xiàn)象更明顯，化學(xué)組成和化學(xué)鍵狀態(tài)變化更顯著，電阻率可能會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。在離子種類對(duì)強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)的影響實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置輻照劑量為101?ions/cm2，離子能量為500MeV，選擇碳（C）、氮（N）、氧（O）、氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）等不同離子種類對(duì)SiO?基材料樣品進(jìn)行輻照。使用原子力顯微鏡（AFM）測(cè)量樣品表面的納米級(jí)形貌變化，分析離子種類對(duì)材料表面微觀力學(xué)性能的影響，如表面粗糙度、起伏高度等參數(shù)的變化。通過深能級(jí)瞬態(tài)譜（DLTS）研究樣品中陷阱能級(jí)的變化，探究離子種類對(duì)材料電學(xué)性能的影響機(jī)制。利用同步輻射X射線衍射（SR-XRD）分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)變化，研究不同離子種類引起的晶格畸變和晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變情況。由于不同離子的質(zhì)量和電荷數(shù)不同，與材料原子的相互作用方式和能量傳遞效率也不同，預(yù)計(jì)不同離子種類會(huì)導(dǎo)致材料表面微觀力學(xué)性能、電學(xué)性能和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的變化，其中質(zhì)量和電荷數(shù)較大的離子可能會(huì)引起更顯著的效應(yīng)。3.2.2多因素綜合實(shí)驗(yàn)在單因素變量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展多因素綜合實(shí)驗(yàn)，以探究不同因素之間的相互作用對(duì)SiO?基材料性能的協(xié)同影響。多因素綜合實(shí)驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，選取輻照劑量、離子能量和離子種類三個(gè)主要因素，每個(gè)因素設(shè)置三個(gè)水平，構(gòu)建一個(gè)L?(33)的正交實(shí)驗(yàn)表。具體因素水平設(shè)置如下：輻照劑量的三個(gè)水平分別為1012ions/cm2、1013ions/cm2和101?ions/cm2；離子能量的三個(gè)水平分別為300MeV、500MeV和800MeV；離子種類選擇碳（C）、氬（Ar）、氙（Xe）三種。對(duì)于每個(gè)正交實(shí)驗(yàn)組合，分別對(duì)熱氧化法制備的單晶SiO?薄膜和化學(xué)氣相沉積法制備的多晶SiO?薄膜進(jìn)行輻照。輻照后，綜合運(yùn)用多種材料表征技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行全面分析。采用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌變化，分析不同因素組合下缺陷的產(chǎn)生、演化以及表面損傷的綜合特征。利用X射線光電子能譜（XPS）、拉曼光譜（Raman）和光致發(fā)光光譜（PL）等手段，研究材料的化學(xué)組成、化學(xué)鍵狀態(tài)和光學(xué)性能的變化，分析各因素之間的相互作用對(duì)這些性能的協(xié)同影響。通過四探針法、霍爾效應(yīng)測(cè)試等電學(xué)性能測(cè)試技術(shù)，測(cè)量樣品的電阻率、載流子濃度和遷移率等電學(xué)參數(shù)，探究不同因素組合對(duì)材料電學(xué)性能的綜合影響機(jī)制。通過對(duì)正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用方差分析（ANOVA）等方法，確定輻照劑量、離子能量和離子種類三個(gè)因素對(duì)SiO?基材料各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響主次順序和交互作用顯著程度。預(yù)計(jì)在多因素綜合作用下，材料的性能變化將呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性關(guān)系，不同因素之間的相互作用可能會(huì)產(chǎn)生協(xié)同增強(qiáng)或相互抑制的效果。例如，較高的輻照劑量和離子能量可能會(huì)在某些離子種類的作用下，對(duì)材料的非晶化轉(zhuǎn)變產(chǎn)生協(xié)同促進(jìn)作用，導(dǎo)致材料的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生更為顯著的變化；而在另一些情況下，不同因素之間的相互作用可能會(huì)相互抵消，使得材料性能的變化相對(duì)較小。通過多因素綜合實(shí)驗(yàn)，能夠更全面地了解快重離子在SiO?基材料中引起強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)的復(fù)雜規(guī)律，為材料性能的精確調(diào)控提供更豐富的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.3.1微觀結(jié)構(gòu)變化利用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）對(duì)輻照前后的SiO?基材料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，結(jié)果顯示出顯著的變化。在低輻照劑量下，如101?ions/cm2的氬離子輻照后，熱氧化法制備的單晶SiO?薄膜中開始出現(xiàn)少量的點(diǎn)缺陷，主要表現(xiàn)為空位和間隙原子，這些點(diǎn)缺陷隨機(jī)分布在晶格中，對(duì)晶格結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較小。隨著輻照劑量增加到1012ions/cm2，點(diǎn)缺陷逐漸聚集形成位錯(cuò)環(huán)，位錯(cuò)環(huán)的尺寸和數(shù)量隨著輻照劑量的增大而增加。當(dāng)輻照劑量達(dá)到101?ions/cm2時(shí)，位錯(cuò)環(huán)相互交織，形成復(fù)雜的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致晶格嚴(yán)重畸變，部分區(qū)域的晶體結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)紊亂。在101?ions/cm2的高輻照劑量下，材料中出現(xiàn)了明顯的非晶化區(qū)域，非晶化區(qū)域內(nèi)原子排列無序，晶格條紋消失?；瘜W(xué)氣相沉積法制備的多晶SiO?薄膜在輻照后的微觀結(jié)構(gòu)變化與單晶SiO?薄膜有所不同。在低輻照劑量下，多晶SiO?薄膜中的晶界區(qū)域首先受到影響，晶界處的原子排列相對(duì)疏松，更容易產(chǎn)生缺陷。隨著輻照劑量的增加，晶界處的缺陷逐漸向晶粒內(nèi)部擴(kuò)展，導(dǎo)致晶粒內(nèi)部也出現(xiàn)大量的點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)。與單晶SiO?薄膜相比，多晶SiO?薄膜在較低輻照劑量下就出現(xiàn)了明顯的晶粒細(xì)化現(xiàn)象，這是由于晶界處的缺陷促進(jìn)了晶粒的破碎和重新排列。當(dāng)輻照劑量進(jìn)一步增加時(shí)，多晶SiO?薄膜中的非晶化程度逐漸加深，最終形成大面積的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。原子力顯微鏡（AFM）測(cè)量結(jié)果表明，輻照后SiO?基材料的表面粗糙度明顯增加。對(duì)于熱氧化法制備的單晶SiO?薄膜，未輻照時(shí)表面粗糙度RMS約為0.3nm，在101?ions/cm2的氬離子輻照后，表面粗糙度RMS增加到1.5nm?；瘜W(xué)氣相沉積法制備的多晶SiO?薄膜在輻照前表面粗糙度RMS約為1.2nm，輻照后在相同輻照劑量下，表面粗糙度RMS增加到3.0nm。表面粗糙度的增加主要是由于輻照產(chǎn)生的缺陷導(dǎo)致材料表面原子的遷移和重排，形成了微觀起伏結(jié)構(gòu)。通過對(duì)HRTEM和AFM結(jié)果的分析，可以總結(jié)出缺陷產(chǎn)生、聚集和演化的規(guī)律。在輻照初期，主要以點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生為主，隨著輻照劑量的增加，點(diǎn)缺陷逐漸聚集形成位錯(cuò)等線缺陷，進(jìn)而發(fā)展為位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)和復(fù)雜的缺陷結(jié)構(gòu)。在高輻照劑量下，缺陷密度達(dá)到一定程度，導(dǎo)致材料的晶體結(jié)構(gòu)被破壞，發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變。晶界在多晶SiO?薄膜的輻照損傷過程中起著重要作用，晶界處的缺陷形成和擴(kuò)展是導(dǎo)致晶粒細(xì)化和非晶化的重要因素。3.3.2光學(xué)性能變化通過熒光光譜、紫外-可見吸收光譜等手段對(duì)輻照前后SiO?基材料的光學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)對(duì)材料的發(fā)光特性和光吸收邊產(chǎn)生了顯著影響。在熒光光譜分析中，未輻照的SiO?基材料在特定波長(zhǎng)的激發(fā)光下，呈現(xiàn)出微弱的熒光發(fā)射，主要源于材料中少量的雜質(zhì)和本征缺陷。當(dāng)受到快重離子輻照后，熒光強(qiáng)度發(fā)生了明顯變化。以能量為500MeV、輻照劑量為1013ions/cm2的氬離子輻照熱氧化法制備的單晶SiO?薄膜為例，輻照后熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，且發(fā)射峰的位置發(fā)生了藍(lán)移。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，熒光強(qiáng)度的增強(qiáng)主要是由于輻照引入了大量的新發(fā)光中心，這些發(fā)光中心可能與輻照產(chǎn)生的氧空位、硅懸鍵等缺陷有關(guān)。氧空位作為一種常見的缺陷，在SiO?的禁帶中引入了中間能級(jí)，電子在這些能級(jí)之間的躍遷會(huì)產(chǎn)生熒光發(fā)射。發(fā)射峰的藍(lán)移則表明輻照后材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，可能是由于缺陷的存在導(dǎo)致能帶的局域化和能級(jí)的分裂。對(duì)于化學(xué)氣相沉積法制備的多晶SiO?薄膜，輻照后的熒光特性變化更為復(fù)雜。除了熒光強(qiáng)度的增強(qiáng)和發(fā)射峰的藍(lán)移外，還出現(xiàn)了新的熒光發(fā)射峰。這可能是由于多晶SiO?薄膜中存在晶界和晶粒內(nèi)部的不同缺陷結(jié)構(gòu)，這些缺陷結(jié)構(gòu)在輻照后產(chǎn)生了不同的發(fā)光機(jī)制。晶界處的缺陷可能與晶粒內(nèi)部的缺陷相互作用，形成了新的發(fā)光中心，從而導(dǎo)致新的熒光發(fā)射峰的出現(xiàn)。紫外-可見吸收光譜測(cè)量結(jié)果顯示，輻照后SiO?基材料的光吸收邊發(fā)生了明顯的移動(dòng)。未輻照的SiO?材料在紫外波段有一個(gè)明顯的吸收邊，對(duì)應(yīng)于電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的吸收閾值。在快重離子輻照后，光吸收邊向低能量方向移動(dòng)，即發(fā)生了紅移。以能量為300MeV、輻照劑量為101?ions/cm2的氪離子輻照化學(xué)氣相沉積法制備的多晶SiO?薄膜為例，光吸收邊從原來的約190nm紅移到220nm。光吸收邊的紅移表明輻照后材料的禁帶寬度減小，這是由于輻照產(chǎn)生的缺陷在禁帶中引入了新的能級(jí)，使得電子躍遷所需的能量降低。此外，在吸收光譜中還觀察到一些新的吸收峰，這些新吸收峰與輻照產(chǎn)生的缺陷和雜質(zhì)能級(jí)有關(guān)，進(jìn)一步證明了輻照對(duì)材料電子結(jié)構(gòu)的影響。綜合熒光光譜和紫外-可見吸收光譜的結(jié)果，可以得出結(jié)論：強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)通過引入缺陷和改變材料的電子結(jié)構(gòu)，顯著影響了SiO?基材料的發(fā)光特性和光吸收邊。這些光學(xué)性能的變化為開發(fā)新型的光功能材料提供了潛在的途徑，例如利用輻照調(diào)控SiO?基材料的發(fā)光特性，可以制備出高性能的發(fā)光二極管、熒光傳感器等光電器件。3.3.3電學(xué)性能變化采用四探針法和電容-電壓測(cè)試等方法對(duì)輻照前后SiO?基材料的電學(xué)性能進(jìn)行了表征，深入探討了強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)對(duì)電導(dǎo)率、載流子濃度等電學(xué)參數(shù)的影響機(jī)制。四探針法測(cè)量結(jié)果表明，輻照后SiO?基材料的電導(dǎo)率發(fā)生了顯著變化。對(duì)于熱氧化法制備的單晶SiO?薄膜，未輻照時(shí)其電導(dǎo)率極低，處于絕緣狀態(tài)。在受到快重離子輻照后，電導(dǎo)率隨著輻照劑量的增加而逐漸增大。以能量為800MeV、輻照劑量從1012ions/cm2增加到101?ions/cm2的氙離子輻照為例，電導(dǎo)率從10?1?S/cm量級(jí)增加到10?12S/cm量級(jí)。電導(dǎo)率的增加主要是由于輻照產(chǎn)生的缺陷在材料中引入了新的載流子傳輸通道。輻照產(chǎn)生的空位、間隙原子等缺陷可以作為電子的陷阱或散射中心，改變電子的傳輸特性。部分缺陷還可能在禁帶中引入淺能級(jí)，使得電子更容易被激發(fā)到導(dǎo)帶，從而增加了載流子濃度，提高了電導(dǎo)率。電容-電壓（C-V）測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步揭示了輻照對(duì)SiO?基材料載流子濃度的影響。通過C-V測(cè)試可以得到材料的載流子濃度隨偏壓的變化關(guān)系。未輻照的SiO?基材料中載流子濃度極低，幾乎可以忽略不計(jì)。在輻照后，載流子濃度明顯增加。以化學(xué)氣相沉積法制備的多晶SiO?薄膜為例，在1013ions/cm2的碳離子輻照后，通過C-V測(cè)試計(jì)算得到的載流子濃度從接近零增加到101?cm?3量級(jí)。載流子濃度的增加除了與輻照產(chǎn)生的缺陷引入新的載流子有關(guān)外，還可能與缺陷對(duì)材料內(nèi)部電場(chǎng)的影響有關(guān)。輻照產(chǎn)生的缺陷會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部電荷分布不均勻，形成內(nèi)建電場(chǎng)，內(nèi)建電場(chǎng)可以促進(jìn)載流子的產(chǎn)生和傳輸，從而進(jìn)一步增加載流子濃度。為了深入理解強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)對(duì)電導(dǎo)率和載流子濃度的影響機(jī)制，結(jié)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了分析。輻照產(chǎn)生的缺陷不僅改變了材料的晶體結(jié)構(gòu)，還對(duì)電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響。缺陷的存在使得材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，在禁帶中引入了新的能級(jí)，這些能級(jí)可以作為載流子的產(chǎn)生源和傳輸通道。此外，缺陷還會(huì)影響電子與聲子的相互作用，改變電子的散射機(jī)制，從而影響載流子的遷移率。在高輻照劑量下，材料的非晶化轉(zhuǎn)變會(huì)進(jìn)一步改變材料的電學(xué)性能，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中的原子排列無序，電子的傳輸路徑更加復(fù)雜，可能導(dǎo)致電導(dǎo)率和載流子濃度的變化趨勢(shì)發(fā)生改變。強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)通過引入缺陷和改變材料的微觀結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)，對(duì)SiO?基材料的電學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。這些電學(xué)性能的變化對(duì)于SiO?基材料在集成電路、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義，例如在集成電路中，SiO?作為絕緣層，輻照引起的電導(dǎo)率變化可能會(huì)影響器件的漏電性能和穩(wěn)定性，因此深入研究這些變化規(guī)律對(duì)于優(yōu)化器件性能和提高可靠性具有重要的指導(dǎo)作用。四、理論模擬與分析4.1理論模型建立4.1.1分子動(dòng)力學(xué)模擬模型為深入理解快重離子在SiO?基材料中引起的強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)，構(gòu)建了基于分子動(dòng)力學(xué)的模擬模型。該模型從原子尺度出發(fā)，詳細(xì)描述了快重離子與SiO?基材料原子之間的相互作用過程，為研究輻照過程中原子的位移、碰撞和能量傳遞提供了微觀視角。在模型構(gòu)建過程中，首先確定SiO?基材料的初始原子結(jié)構(gòu)。對(duì)于單晶SiO?，采用α-石英的晶體結(jié)構(gòu)作為初始模型，其空間群為P3?21或P3?21，硅氧四面體以螺旋鏈的方式排列形成三維晶格。通過設(shè)置合適的晶格常數(shù)和原子坐標(biāo)，精確描述硅原子和氧原子在晶格中的位置。對(duì)于多晶SiO?，利用蒙特卡羅方法隨機(jī)生成多個(gè)晶粒，并通過晶界合并算法構(gòu)建多晶結(jié)構(gòu)，考慮晶界處原子排列的無序性和原子間的相互作用。在模擬過程中，采用經(jīng)典的牛頓運(yùn)動(dòng)方程來描述原子的運(yùn)動(dòng)。每個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)受到周圍原子的作用力，這些作用力通過合適的勢(shì)函數(shù)來計(jì)算。常用的勢(shì)函數(shù)包括Tersoff勢(shì)和Stillinger-Weber勢(shì)，它們能夠較好地描述SiO?中硅-氧原子之間的相互作用。Tersoff勢(shì)考慮了原子間的共價(jià)鍵作用和多體相互作用，能夠準(zhǔn)確描述硅氧四面體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和原子間的成鍵特性。Stillinger-Weber勢(shì)則側(cè)重于描述原子間的短程排斥力和長(zhǎng)程吸引力，對(duì)SiO?材料的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)具有良好的模擬效果。在模擬快重離子與SiO?基材料原子的相互作用時(shí)，采用了Binary-EncounterApproximation（BEA）方法。該方法將快重離子與靶原子的碰撞視為二元碰撞，通過計(jì)算碰撞截面和散射角來確定離子的運(yùn)動(dòng)軌跡和能量損失。當(dāng)快重離子進(jìn)入SiO?基材料時(shí)，根據(jù)其初始能量和速度，在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)計(jì)算離子與周圍原子的碰撞概率。如果發(fā)生碰撞，則根據(jù)碰撞截面和散射角更新離子的運(yùn)動(dòng)方向和能量。同時(shí)，將離子傳遞給靶原子的能量轉(zhuǎn)化為靶原子的動(dòng)能，使靶原子發(fā)生位移。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，可以直觀地觀察到輻照過程中原子的動(dòng)態(tài)行為。在快重離子輻照初期，離子與SiO?基材料原子的碰撞導(dǎo)致原子的瞬間位移，產(chǎn)生大量的點(diǎn)缺陷，如空位和間隙原子。隨著輻照的持續(xù)進(jìn)行，這些點(diǎn)缺陷逐漸聚集，形成位錯(cuò)和位錯(cuò)環(huán)等復(fù)雜的缺陷結(jié)構(gòu)。在高輻照劑量下，缺陷密度不斷增加，導(dǎo)致材料的晶體結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，原子排列變得無序，最終發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變。通過分析模擬過程中原子的位移、速度和能量分布等信息，可以深入了解離子與材料原子之間的能量傳遞機(jī)制和缺陷產(chǎn)生、演化規(guī)律。例如，通過計(jì)算原子的均方位移（MSD），可以定量描述原子的擴(kuò)散程度和遷移率，分析輻照對(duì)原子擴(kuò)散行為的影響。通過統(tǒng)計(jì)不同類型缺陷的數(shù)量和分布，研究缺陷的形成和聚集過程，以及它們對(duì)材料性能的影響。4.1.2量子力學(xué)計(jì)算模型為深入理解快重離子輻照產(chǎn)生的強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)的微觀機(jī)制，利用量子力學(xué)方法，特別是密度泛函理論（DFT），構(gòu)建了量子力學(xué)計(jì)算模型。該模型能夠精確計(jì)算輻照產(chǎn)生的缺陷態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度變化，從電子層面揭示強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)與材料性能變化之間的內(nèi)在聯(lián)系。密度泛函理論的核心思想是將多電子體系的基態(tài)能量表示為電子密度的泛函。通過求解Kohn-Sham方程，可以得到體系的電子密度分布和能量本征值。在計(jì)算過程中，采用平面波基組來展開電子波函數(shù)，并使用贗勢(shì)方法來描述離子實(shí)與電子之間的相互作用，以減少計(jì)算量。常用的交換關(guān)聯(lián)泛函包括廣義梯度近似（GGA）和局域密度近似（LDA）。GGA考慮了電子密度的梯度信息，能夠更準(zhǔn)確地描述電子的交換關(guān)聯(lián)能，在處理SiO?基材料時(shí)表現(xiàn)出較好的性能。在構(gòu)建量子力學(xué)計(jì)算模型時(shí)，首先需要建立包含輻照產(chǎn)生缺陷的SiO?基材料的原子模型。對(duì)于點(diǎn)缺陷，如氧空位和硅空位，通過移除相應(yīng)的原子來構(gòu)建缺陷模型。對(duì)于復(fù)雜缺陷，如位錯(cuò)和晶界，采用周期性邊界條件和超胞模型來模擬。在超胞模型中，將包含缺陷的小區(qū)域進(jìn)行周期性復(fù)制，形成一個(gè)大的模擬體系，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用構(gòu)建的量子力學(xué)計(jì)算模型，計(jì)算輻照前后SiO?基材料的電子結(jié)構(gòu)，包括能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和電荷密度分布等。通過分析能帶結(jié)構(gòu)的變化，可以了解輻照產(chǎn)生的缺陷對(duì)材料禁帶寬度和電子躍遷的影響。例如，當(dāng)SiO?材料中引入氧空位時(shí)，氧空位會(huì)在禁帶中引入新的能級(jí)，這些能級(jí)可能成為電子的陷阱或躍遷通道，從而改變材料的電學(xué)和光學(xué)性能。通過計(jì)算態(tài)密度，可以直觀地觀察到缺陷態(tài)能級(jí)的出現(xiàn)和電子態(tài)密度的變化。缺陷態(tài)能級(jí)的位置和強(qiáng)度與缺陷的類型和濃度密切相關(guān)，通過分析態(tài)密度的變化，可以深入了解缺陷對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制。電荷密度分布的計(jì)算可以揭示輻照前后材料中電子的分布情況和化學(xué)鍵的變化。在輻照過程中，由于離子與材料原子的相互作用，原子的電子云分布會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致化學(xué)鍵的斷裂和重組。通過分析電荷密度分布的變化，可以直觀地觀察到化學(xué)鍵的變化情況，進(jìn)一步理解強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的影響。例如，在氧空位附近，電荷密度會(huì)發(fā)生明顯的變化，表明氧空位的存在改變了周圍原子的電子云分布和化學(xué)鍵的強(qiáng)度。通過量子力學(xué)計(jì)算模型，還可以研究輻照產(chǎn)生的缺陷與雜質(zhì)原子之間的相互作用。在實(shí)際的SiO?基材料中，往往存在一定量的雜質(zhì)原子，這些雜質(zhì)原子與輻照產(chǎn)生的缺陷相互作用，可能會(huì)進(jìn)一步影響材料的性能。通過在計(jì)算模型中引入雜質(zhì)原子，研究雜質(zhì)原子與缺陷之間的電荷轉(zhuǎn)移、能級(jí)相互作用等，有助于深入理解雜質(zhì)對(duì)材料性能的影響機(jī)制。4.2模擬結(jié)果與討論4.2.1離子徑跡與缺陷形成通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，成功展示了快重離子在SiO?基材料中形成的離子徑跡形態(tài)和缺陷分布情況。以能量為500MeV的氬離子輻照單晶SiO?為例，模擬結(jié)果清晰地呈現(xiàn)出離子徑跡的特征。在離子入射初期，離子以高速穿過SiO?晶格，由于離子與硅、氧原子的劇烈碰撞，在離子徑跡周圍形成了一個(gè)高密度的缺陷區(qū)域。從模擬圖像中可以觀察到，離子徑跡呈現(xiàn)出一條狹窄的通道，通道周圍的原子發(fā)生了明顯的位移和重排，形成了大量的空位和間隙原子。這些點(diǎn)缺陷在離子徑跡周圍呈不對(duì)稱分布，靠近離子入射方向的一側(cè)缺陷密度相對(duì)較高，這是因?yàn)殡x子在入射過程中，能量主要集中在前方，與前方原子的相互作用更為強(qiáng)烈。隨著輻照的持續(xù)進(jìn)行，點(diǎn)缺陷逐漸聚集形成位錯(cuò)等線缺陷。模擬結(jié)果顯示，位錯(cuò)主要沿著離子徑跡方向延伸，形成了復(fù)雜的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)。位錯(cuò)的形成是由于點(diǎn)缺陷的聚集導(dǎo)致晶格畸變超過了一定的閾值，使得晶體中的原子排列發(fā)生了局部的錯(cuò)排。位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的存在進(jìn)一步加劇了晶格的畸變，對(duì)SiO?基材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性。實(shí)驗(yàn)中通過高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察到的離子徑跡和缺陷分布特征與模擬結(jié)果相似。實(shí)驗(yàn)中觀察到的離子徑跡周圍的點(diǎn)缺陷聚集區(qū)域以及位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在模擬圖像中都能清晰地找到對(duì)應(yīng)。這表明分子動(dòng)力學(xué)模擬能夠有效地再現(xiàn)快重離子在SiO?基材料中引起的離子徑跡和缺陷形成過程，為深入理解這一過程提供了有力的工具。進(jìn)一步分析模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)離子種類、能量和輻照劑量對(duì)離子徑跡和缺陷形成具有顯著影響。不同離子種類由于其質(zhì)量和電荷數(shù)的差異，與SiO?基材料原子的相互作用方式和能量傳遞效率不同，導(dǎo)致形成的離子徑跡和缺陷分布存在差異。質(zhì)量和電荷數(shù)較大的離子，如氙離子，在輻照過程中會(huì)傳遞更多的能量給材料原子，從而產(chǎn)生更密集的缺陷和更復(fù)雜的離子徑跡結(jié)構(gòu)。離子能量的增加會(huì)使離子在材料中的射程增大，能量沉積范圍更廣，導(dǎo)致離子徑跡更長(zhǎng)，缺陷分布區(qū)域更寬。輻照劑量的增大則會(huì)使缺陷密度逐漸增加，缺陷之間的相互作用更加頻繁，從而加速位錯(cuò)的形成和擴(kuò)展，使材料的結(jié)構(gòu)損傷更加嚴(yán)重。4.2.2電子結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系基于量子力學(xué)計(jì)算模型，深入分析了模擬得到的電子結(jié)構(gòu)變化，揭示了其與材料光學(xué)、電學(xué)性能變化之間的內(nèi)在聯(lián)系，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了堅(jiān)實(shí)的理論支持。在研究輻照前后SiO?基材料的能帶結(jié)構(gòu)變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，輻照產(chǎn)生的缺陷對(duì)能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響。以氧空位缺陷為例，當(dāng)SiO?材料中引入氧空位后，在禁帶中出現(xiàn)了新的能級(jí)。這些新能級(jí)位于禁帶中部附近，成為電子的陷阱能級(jí)。通過分析電子態(tài)密度（DOS），進(jìn)一步證實(shí)了新能級(jí)的存在。在氧空位缺陷態(tài)對(duì)應(yīng)的能量位置，電子態(tài)密度出現(xiàn)了明顯的峰值，表明在該能級(jí)上電子的分布概率增加。這種電子結(jié)構(gòu)的變化直接影響了材料的光學(xué)性能。由于新能級(jí)的出現(xiàn)，電子躍遷所需的能量發(fā)生改變，導(dǎo)致材料的光吸收邊發(fā)生移動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)中觀察到的光吸收邊紅移現(xiàn)象，在理論計(jì)算中得到了很好的解釋。電子從價(jià)帶躍遷到氧空位引入的新能級(jí)所需的能量低于躍遷到導(dǎo)帶的能量，使得材料對(duì)較低能量的光子吸收增強(qiáng)，從而導(dǎo)致光吸收邊向低能量方向移動(dòng)。輻照產(chǎn)生的缺陷對(duì)材料電學(xué)性能的影響也可以從電子結(jié)構(gòu)變化的角度進(jìn)行解釋。缺陷引入的新能級(jí)不僅影響電子的躍遷，還改變了電子的傳輸特性。在電學(xué)性能方面，缺陷態(tài)能級(jí)可以作為載流子的產(chǎn)生源和復(fù)合中心。當(dāng)材料受到外界電場(chǎng)作用時(shí)，缺陷態(tài)能級(jí)上的電子可以被激發(fā)到導(dǎo)帶，成為導(dǎo)電載流子，從而增加材料的電導(dǎo)率。同時(shí)，導(dǎo)帶中的電子也可能被缺陷態(tài)能級(jí)捕獲，發(fā)生復(fù)合，降低載流子濃度。在實(shí)驗(yàn)中觀察到的輻照后SiO?基材料電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象，與理論計(jì)算中缺陷態(tài)能級(jí)對(duì)載流子的影響相符。隨著輻照劑量的增加，缺陷密度增大，更多的缺陷態(tài)能級(jí)參與到載流子的產(chǎn)生和復(fù)合過程中，導(dǎo)致電導(dǎo)率逐漸增大。為了更直觀地展示電子結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，通過計(jì)算不同缺陷濃度下SiO?基材料的光學(xué)吸收系數(shù)和電導(dǎo)率，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算結(jié)果表明，隨著缺陷濃度的增加，光學(xué)吸收系數(shù)在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)逐漸增大，與實(shí)驗(yàn)中觀察到的光吸收增強(qiáng)現(xiàn)象一致。在電導(dǎo)率方面，計(jì)算得到的電導(dǎo)率隨缺陷濃度的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論模型的正確性。量子力學(xué)計(jì)算模型從電子結(jié)構(gòu)層面深入揭示了快重離子輻照在SiO?基材料中引起的強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)與材料光學(xué)、電學(xué)性能變化之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相互印證，為深入理解快重離子輻照對(duì)SiO?基材料性能的影響機(jī)制提供了有力的理論依據(jù)。五、影響因素與作用機(jī)制5.1快重離子參數(shù)對(duì)激發(fā)效應(yīng)的影響5.1.1輻照劑量的影響輻照劑量是影響快重離子在SiO?基材料中引起強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)的關(guān)鍵因素之一，它與缺陷濃度、材料性能變化之間存在著緊密的定量關(guān)系。隨著輻照劑量的增加，快重離子在SiO?基材料中產(chǎn)生的能量沉積不斷累積，導(dǎo)致材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生顯著變化。在實(shí)驗(yàn)研究中，通過對(duì)不同輻照劑量下的SiO?基材料進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征，發(fā)現(xiàn)缺陷濃度與輻照劑量呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)輻照劑量較低時(shí)，如101?ions/cm2，快重離子在SiO?基材料中產(chǎn)生的能量沉積較少，主要以點(diǎn)缺陷的形成為主，包括空位和間隙原子，這些點(diǎn)缺陷隨機(jī)分布在材料的晶格中，對(duì)晶格結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較小。隨著輻照劑量逐漸增加到1012ions/cm2，點(diǎn)缺陷的數(shù)量顯著增多，它們開始聚集形成位錯(cuò)環(huán)。位錯(cuò)環(huán)的形成是由于點(diǎn)缺陷的聚集導(dǎo)致晶格畸變超過了一定的閾值，使得晶體中的原子排列發(fā)生了局部的錯(cuò)排。當(dāng)輻照劑量進(jìn)一步增大到101?ions/cm2時(shí)，位錯(cuò)環(huán)相互交織，形成了復(fù)雜的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致晶格嚴(yán)重畸變，部分區(qū)域的晶體結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)紊亂。在101?ions/cm2的高輻照劑量下，材料中出現(xiàn)了明顯的非晶化區(qū)域，非晶化區(qū)域內(nèi)原子排列無序，晶格條紋消失。通過對(duì)不同輻照劑量下材料中缺陷數(shù)量的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)缺陷濃度隨著輻照劑量的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。這種缺陷濃度的變化對(duì)SiO?基材料的性能產(chǎn)生了多方面的影響。在力學(xué)性能方面，隨著輻照劑量的增加，材料的硬度和彈性模量逐漸降低。這是因?yàn)槿毕莸拇嬖谄茐牧瞬牧系木w結(jié)構(gòu)，削弱了原子間的結(jié)合力，使得材料更容易發(fā)生塑性變形。在電學(xué)性能方面，輻照劑量的增加會(huì)導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率逐漸增大。如前文實(shí)驗(yàn)部分所述，輻照產(chǎn)生的缺陷在材料中引入了新的載流子傳輸通道，部分缺陷還可能在禁帶中引入淺能級(jí)，使得電子更容易被激發(fā)到導(dǎo)帶，從而增加了載流子濃度，提高了電導(dǎo)率。在光學(xué)性能方面，輻照劑量的變化會(huì)影響材料的發(fā)光特性和光吸收邊。隨著輻照劑量的增加，材料中的發(fā)光中心濃度發(fā)生變化，導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度和波長(zhǎng)發(fā)生改變。同時(shí)，輻照產(chǎn)生的缺陷在禁帶中引入新的能級(jí)，使得電子躍遷所需的能量降低，導(dǎo)致光吸收邊向低能量方向移動(dòng)。輻照劑量對(duì)強(qiáng)電子激發(fā)效應(yīng)的累積作用機(jī)制主要源于快重離子與材料原子之間的相互作用。在輻照過程中，快重離子不斷與SiO?基材料中的原子發(fā)生碰撞，將能量傳遞給原子，導(dǎo)致原子的位移和激發(fā)。隨著輻照劑量的增加，離子與原子的碰撞次數(shù)增多，能量沉積逐漸累積，從而使得缺陷濃度不斷增加，材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生逐漸變化。這種累積作用是一個(gè)漸進(jìn)的過程，在低輻照劑量下，材料的變化相對(duì)較小，但隨著輻照劑量的不斷增加，材料的變化逐漸加劇，最終導(dǎo)致材料的性能發(fā)生顯著改變。5.1.2離子能量的影響離子能量在快重離子與SiO?基材料的相互作用中起著關(guān)鍵作用，它決定了電子能損和核能損的比例，進(jìn)而對(duì)材料中激發(fā)過程和缺陷產(chǎn)生的深度和范圍產(chǎn)生重要影響。根據(jù)快重離子與物質(zhì)相互作用理論，離子能量與電子能損和核能損之間存在著特定的關(guān)系。當(dāng)離子能量較低時(shí)，離子與原子核之間的庫侖相互作用較強(qiáng)，核能損在能量損失中占據(jù)主導(dǎo)地位。在這種情況下，離子與原子核的彈性碰撞會(huì)導(dǎo)致原子核的反沖，產(chǎn)生大量的原子位移，從而在材料中形成Frenkel缺陷對(duì)。這些缺陷主要集中在離子入射的淺層區(qū)域，因?yàn)樵诘湍芮闆r下，離子的射程較短，能量沉積主要發(fā)生在表面附近。當(dāng)離子能量為100MeV的氬離子輻照SiO?基材料時(shí)，通過蒙特卡羅模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，核能損占總能量損失的比例較高，約為30%-40%，在離子入射的前幾十納米范圍內(nèi)，產(chǎn)生了大量的Frenkel缺陷對(duì)，導(dǎo)致材料的晶格畸變較為嚴(yán)重。隨著離子能量的增加，離子的速度增大，離子與電子之間的相互作用增強(qiáng)，電子能損逐漸成為能量損失的主要機(jī)制。當(dāng)離子能量達(dá)到GeV量級(jí)時(shí)，電子能損可占總能量損失的90%以上。在高能情況下，離子在材料中的射程增大，能量沉積范圍更廣。由于電子能損主要通過與材料中的電子發(fā)生非彈性散射來實(shí)現(xiàn)，這會(huì)導(dǎo)致材料中的電子被激發(fā)到高能態(tài)，產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)。這些電子-空穴對(duì)在復(fù)合過程中會(huì)釋放出能量，引發(fā)材料的熱峰效應(yīng)，使材料局部區(qū)域的溫度在極短時(shí)間內(nèi)急劇升高，導(dǎo)致原子的熱振動(dòng)加劇，原子鍵合狀態(tài)被破壞，從而產(chǎn)生各種類型的缺陷，如空位、間隙原子、位錯(cuò)等。這些缺陷不僅分布在離子入射的淺層區(qū)域，還會(huì)沿著離子的徑跡向材料內(nèi)部延伸，影響范圍更大。當(dāng)離子能量為1GeV的氬離子輻照SiO?基材料時(shí)，電子能損占主導(dǎo)地位，熱峰效應(yīng)顯著，在離子徑跡周圍形成了一個(gè)較寬的缺陷區(qū)域，缺陷類型更加復(fù)雜，除了點(diǎn)缺陷外，還形成了大量的位錯(cuò)和位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)。離子能量的變化還會(huì)影響材料中激發(fā)過程的深度和范圍。在低能離子輻照時(shí)，由于離子的射程較短，激發(fā)過程主要集中在材料表面附近，對(duì)材料表面的微觀結(jié)構(gòu)和性能影響較大。隨著離子能量的增加，離子的射程增大，激發(fā)過程可以深入到材料內(nèi)部，對(duì)材料整體的微觀結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生影響。在研究離子能量對(duì)SiO?基材料光學(xué)性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，低能離子輻照主要改變材料表面的光學(xué)性質(zhì)，如表面的光吸收和發(fā)光特性；而高能離子輻照則會(huì)導(dǎo)致材料整體的光學(xué)性能發(fā)生變化，如光吸收邊的移動(dòng)和發(fā)光峰的位移。這是因?yàn)楦吣茈x子輻照產(chǎn)生的缺陷和微觀結(jié)構(gòu)變化可以深入到材料內(nèi)部，影響材料的整體電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。5.1.3離子種類的影響不同離子種類在相同輻照條件下對(duì)SiO?基材料的激發(fā)效應(yīng)存在顯著差異，這種差異主要源于離子質(zhì)量、電荷數(shù)等因素的不同。離子質(zhì)量是影響激發(fā)效應(yīng)的重要因素之一。質(zhì)量較大的離子，在與SiO?基材料相互作用時(shí)，具有較強(qiáng)的動(dòng)量和能量傳遞能力。以鉛（Pb）離子和氪（Kr）離子為例，Pb離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于Kr離子。當(dāng)它們以相同的能量和劑量輻照SiO?基材料時(shí)，Pb離子由于質(zhì)量較大，在與材料原子碰撞時(shí)，能夠傳遞更多的能量給原子，導(dǎo)致原子的位移和激發(fā)更加劇烈。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，Pb離子輻照后，SiO?基材料中產(chǎn)生的缺陷密度明顯高于Kr離子輻照的情況。在相同輻照劑量下，Pb離子輻照產(chǎn)生的空位和間隙原子數(shù)量比Kr離子輻照時(shí)增加了約30%-50%，這使得材料的晶格畸變更加嚴(yán)重，對(duì)材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能產(chǎn)生更大的影響。在力學(xué)性能方面，Pb離子輻照后的SiO?基材料硬度下降更為明顯，彈性模量降低幅度更大；在電學(xué)性能方面，Pb離子輻照導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率增加更為顯著，這是因?yàn)楦嗟娜毕轂檩d流子提供了傳輸通道。離子電荷數(shù)也對(duì)激發(fā)效應(yīng)起著關(guān)鍵作用。電荷數(shù)較高的離子，其電場(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)，與材料中的電子相互作用更為強(qiáng)烈。以氙（Xe）離子和氬（Ar）離子為例，Xe離子的電荷數(shù)大于Ar離子。在相同輻照條件下，Xe離子在SiO?基材料中引起的電子能損更大，更容易引發(fā)熱峰效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Xe離子輻照后，材料中出現(xiàn)非晶化區(qū)域的面積比Ar離子輻照時(shí)更大。這是因?yàn)閄e離子的高電荷數(shù)使其在與電子相互作用時(shí)，能夠更有效地激發(fā)電子，產(chǎn)生更高的熱峰溫度，從而促進(jìn)材料的非晶化轉(zhuǎn)變。在光