引言
高能重離子在各種氧化物陶瓷中沿其軌跡會產(chǎn)生高度缺陷或無定形結(jié)構(gòu)，這被稱為潛在的離子軌道。離子軌道的直徑大都在納米級，軌道長度可達(dá)幾十微米，這種極大的高寬比對先進(jìn)納米結(jié)構(gòu)的制造非常具有吸引力。潛在的離子軌跡可以用作電子電導(dǎo)率的納米通道，并且蝕刻軌跡已經(jīng)被用于薄膜中導(dǎo)電納米線生長的模板。然而，科學(xué)家們對離子-固體相互作用中強(qiáng)烈的遠(yuǎn)離平衡過程了解甚少。最近有學(xué)者研究了高能重離子在單晶SrTiO3中產(chǎn)生的潛在離子軌道，為相互作用的深入探究指明了方向。
成果簡介
近日，來自美國田納西大學(xué)的William J. Weber (通訊作者)等人在Acta Mater.上發(fā)布了一篇關(guān)于離子軌道的文章，題為“Synergistically-enhanced ion track formation in pre-damaged strontium titanate by energetic heavy ions”。
作者通過利用盧瑟福背散射光譜和掃描透射電子顯微鏡研究了高能重離子在單晶SrTiO3中產(chǎn)生的潛在離子軌道。結(jié)果表明，通過彈性碰撞過程引入預(yù)先存在的輻照損傷與來自高能重離子的電子能量沉積協(xié)同作用，以增強(qiáng)潛在離子軌跡的形成。平均非晶橫截面積隨著預(yù)損傷水平的增加而增加，并且與離子的電子能量損失成線性比例，斜率取決于預(yù)損傷水平。這項工作提供了對離子-固體相互作用的新理解，這些相互作用顯著影響了潛在軌道的形成過程，非晶化模型和電陶瓷器件的制造。
圖片導(dǎo)讀
圖1 原始晶體和預(yù)先損壞SrTiO3系統(tǒng)的計算能量沉積分布
原始和預(yù)損傷單晶SrTiO3離子能量沉積與離子軌道徑向距離的函數(shù)關(guān)系圖。
圖2 用629MeV Xe和946MeV Au離子輻照后的RBS/C譜
(a) 沒有預(yù)先損傷的原始SrTiO3；
(b) 最大無序水平為0.06的有缺陷的SrTiO3。
圖3 有缺陷SrTiO3與深度的函數(shù)關(guān)系
(a)?0.01，(b) 0.06和(c) 0.21的最大無序水平進(jìn)行629MeV Xe離子照射；
(d)?0.01，(e) 0.06和(f) 0.10的最大無序水平進(jìn)行了946MeV金照射。
圖4 MD模擬
(a) xy平面的橫截面；
(b) 沿原始SrTiO3中四個連續(xù)的629MeV Xe離子相同離子路徑的垂直視圖；
(c) Xy平面的橫截面；
(d) 沿著預(yù)先損壞SrTiO3中的單個Xe離子路徑的垂直視圖。
圖5 ABF圖像
(a) 較低放大率的圖像；
(b) （a）中所示有缺陷的SrTiO3中無定形軌道的高放大率圖像。
小結(jié)
本文系統(tǒng)地研究了高能重離子在單晶SrTiO3中產(chǎn)生的潛在離子軌道。離子軌跡的形態(tài)取決于電子能量損失的大小，預(yù)先存在的損傷狀態(tài)以及預(yù)先存在的損傷量。預(yù)先存在的缺陷降低了電子和原子的熱導(dǎo)率，并增加了電子-聲子耦合，從而增加了熱尖峰的強(qiáng)度和徑向限制。作者通過STEM表征和MD模擬證實了SHI離子軌道形態(tài)從預(yù)損壞區(qū)域的連續(xù)變化到原始晶體的不連續(xù)超出預(yù)損傷深度的變化。
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