表面工程08高能束表面改性

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1、College of Materials Science and Engineering, BJUT第 五 章 ： 表 面 工 程 技 術 College of Materials Science and Engineering, BJUT第 七 章 氣 相 沉 積 技 術5.4.1 高 能 束 表 面 改 性采 用 激 光 束 、 電 子 束 、 離 子 束 為 代 表 的 高 能 束 流 對 材 料表 面 進 行 改 性 的 技 術 。高 能 束 的 共 同 特 征 是 ， 供 給 材 料 表 面 的 功 率 密 度 103W/cm2。特 點 ：1. 功 率 密 度 高 、 作 用 時 間

2、 短 ， 易 于 獲 得 亞 穩(wěn) 態(tài) 組 織 ；2. 非 接 觸 式 加 熱 ， 熱 應 力 小 ；3. 可 控 性 好 ， 易 于 傳 輸 ， 處 理 環(huán) 境 清 潔 ， 污 染 少 。 College of Materials Science and Engineering, BJUT5.4.2 激 光 表 面 改 性Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation College of Materials Science and Engineering, BJUT 4 1960年在加利福尼亞州馬里布的休斯研究實驗室，西奧多梅曼

3、(Theodore Maiman)設計和建造了一臺小型的激光發(fā)生器。他將閃光燈線圈纏繞在指尖大小的紅寶石棒上，產生了第一束激光，激光時代由此開啟，從此和人們的生活息息相關。 梅 曼 的 實 驗 顯 示 ， 閃 光 燈 發(fā) 出 的 足 以 致 盲 的 強 光 可 以 使 紅 寶 石 棒 充 能 ，這 些 能 量 隨 后 以 純 粹 的 紅 色 光 脈 沖 的 形 式 釋 放 ， 這 些 相 干 光 有 恒 定 的 相位 差 ， 就 像 是 列 隊 前 進 的 士 兵 們 。 College of Materials Science and Engineering, BJUT 5 隨 著 激 光

4、的 誕 生 ， 軍 事機 構 和 小 說 家 看 到 射 線槍 能 夠 成 為 現 實 ， 就 開始 著 手 打 造 激 光 武 器 。1964年 ， 007電 影 金手 指 中 大 反 派 “ 金 手指 ” 奧 瑞 克 威 脅 詹 姆 斯 -邦 德 ， 要 用 激 光 將 他 鋸成 兩 半 這 在 當 時 ，還 是 純 粹 的 幻 想 。 College of Materials Science and Engineering, BJUT 6 埃 米 特 利 斯 (Emmett Leith)和朱 瑞 斯 烏 帕 特 尼 克 斯 (Juris Upatnieks )在 1964年 使 用 激

5、光對 全 息 技 術 進 行 了 徹 底 改 造 ， 發(fā)明 了 第 一 個 不 需 要 特 制 眼 鏡 就 能看 到 的 三 維 圖 像 。他 們 用 分 裂 的 激 光 光 束 將 全 息 圖記 錄 在 感 光 片 上 ， 其 中 一 束 激 光先 被 從 被 攝 物 體 上 反 射 開 來 ， 然后 再 與 另 一 束 會 合 ， 在 感 光 片 上成 像 。 用 一 束 與 成 像 時 相 同 方 向的 激 光 照 射 感 光 片 ， 就 會 在 觀 看者 眼 前 產 生 一 幅 逼 真 的 三 維 圖 像 。這 張 玩 具 火 車 圖 是 這 兩 位 科 學 家 在 密 歇 根 大 學

6、 的 威 洛 魯 恩 實 驗室 第 一 次 記 錄 的 全 息 圖 。 College of Materials Science and Engineering, BJUT 7 最 初 時 ， 激 光 的 色 彩 是 相 當有 限 的 ： 氦 氖 激 光 器 和 紅 寶石 發(fā) 出 紅 光 ， 其 他 激 光 器 則產 生 不 可 見 的 紅 外 線 。人 們 借 助 離 子 激 光 器 第 一 次實 現 了 如 彩 虹 般 的 七 彩 激 光 ，它 通 過 在 氬 或 氪 中 的 高 壓 放電 產 生 激 光 。 氬 氣 產 生 藍 色和 綠 色 的 光 ， 氪 產 生 其 他 幾種 顏 色

7、， 兩 種 氣 體 的 混 合 可以 產 生 整 個 可 見 光 譜 中 的 顏色 。 夢 幻 的 激 光 秀 從 此 誕 生 。 College of Materials Science and Engineering, BJUT 8 激 光 技 術 第 一 次 走 進 日 常生 活 ， 是 美 國 超 市 使 用 發(fā)出 紅 色 氦 氖 激 光 的 條 形 碼掃 描 槍 實 現 收 款 自 動 化 。若 爾 斯 阿 爾 費 羅 夫(Zhores Alferovand )和赫 伯 特 克 勒 默 (Herbert Kroemer)改 進 了 制 作 半 導體 二 極 管 激 光 器 的 方 法

8、 ，讓 激 光 真 正 地 無 處 不 在 。這 兩 位 科 學 家 因 此 獲 得 了2000年 的 諾 貝 爾 物 理 獎 。 (圖 中 所 示 為 一 個 半 導 體 二 極 管 激 光 器 和 五美 元 鈔 票 大 小 的 對 比 。 )如 今 ， 這 樣 的 芯 片隨 處 可 見 ， 比 如 說 CD播 放 器 、 藍 光 播 放 器 、紅 色 激 光 筆 并 構 成 了 全 球 電 信 網 絡 的 骨 干 。 College of Materials Science and Engineering, BJUT 9 在 工 業(yè) 上 ， 激 光 被 用 作 永 遠 不 會 變 鈍的 鋸

9、 和 鉆 頭 。 最 初 人 們 使 用 激 光 來 加工 硬 度 很 高 的 材 料 ， 如 鉆 石 ， 或 非 常柔 軟 的 材 料 ， 例 如 嬰 兒 奶 瓶 的 奶 嘴 。低 功 率 激 光 可 以 切 割 和 焊 接 塑 料 ； 高功 率 激 光 可 以 切 割 和 焊 接 金 屬 。早 期 的 工 業(yè) 激 光 器 ， 必 須 要 有 非 常 龐大 的 體 形 ， 才 能 產 生 足 夠 的 能 量 ， 但新 型 固 態(tài) 激 光 器 卻 非 常 小 巧 ， 給 人 印象 深 刻 ： 如 今 一 段 細 光 纖 或 幾 分 之 一毫 米 厚 、 撲 克 大 小 的 盤 片 就 能 產

10、生 千瓦 級 的 能 量 ， 足 以 切 開 幾 厘 米 厚 的 金屬 片 。 College of Materials Science and Engineering, BJUT 10 激 光 的 首 次 在 醫(yī) 學 上 的 成 功 應 用 是 進行 眼 內 手 術 ， 無 需 要 切 開 眼 球 。早 在 1962年 ， 一 臺 紅 寶 石 激 光 器 將病 人 脫 落 的 視 網 膜 與 眼 球 重 新 連 接 ，使 他 恢 復 了 視 力 。更 大 的 成 功 在 1968年 到 來 ， 外 科 醫(yī)生 弗 朗 西 斯 萊 斯 佩 朗 斯 和 貝 爾 實 驗室 的 工 程 師 使 用 氬

11、 離 子 激 光 器 破 壞 異常 的 血 管 ， 以 避 免 這 些 血 管 在 視 網 膜中 擴 散 ， 這 種 病 癥 后 果 非 常 嚴 重 ， 會導 致 糖 尿 病 人 失 明 。 這 種 治 療 方 法 已經 挽 救 了 數 百 萬 人 的 視 力 。如 今 ， 激 光 也 被 用 來 切 割 角 膜 ， 以 矯 正 視 力 ， 或 者 消 除 胎 記 和 刺 青 。 College of Materials Science and Engineering, BJUT 11 很 久 以 來 可 控 核 聚 變 都 是 人 們 最 理 想的 清 潔 能 源 產 生 方 式 。1962

12、年 ， 在 加 利 福 尼 亞 州 的 勞 倫 斯 利弗 莫 爾 國 家 實 驗 室 ， 物 理 學 家 約翰 納 科 爾 斯 (John Nuckolls)提 出用 激 光 脈 沖 加 熱 和 壓 縮 重 氫 同 位 素 塊來 實 現 可 控 核 聚 變 。自 此 之 后 ， 勞 倫 斯 利 弗 莫 爾 實 驗 室 一直 追 尋 著 這 個 理 念 ， 他 們 使 用 的 激 光器 也 越 來 越 大 ， 終 于 在 美 國 國 家 點 火裝 置 (National Ignition Facility)中達 到 巔 峰 。 這 是 一 個 復 雜 的 系 統(tǒng) ， 可以 同 時 發(fā) 出 192

13、束 激 光 ，去 年 ， 在 十 億 分 之 幾 秒 的 時 間 內 ， 產 生 了 能量 達 到 100萬 焦 耳 的 激 光 脈 沖 ， 使 之 成 為 有 史 以 來 能 量 最 強 的 激 光 器 。 國 家 點 火 裝 置 是美 國 科 學 家 研 制 的 、 世 界 最 大 的 激 光 核 聚 變裝 置 。 據 悉 ， 這 個 被 稱 為 “ 人 造 太 陽 ” 的 裝置 能 產 生 類 似 恒 星 內 核 溫 度 和 壓 力 ， 使 美 國在 無 需 核 試 的 情 況 下 保 持 核 威 懾 力 。 College of Materials Science and Engine

14、ering, BJUTCO 2 10.6 0.12 大 ， 可 達幾 十 千 瓦 連 續(xù) 、脈 沖 基 膜 或多 模 1-3 15-20YAG 1.06 1.16 小 ， 最 大幾 千 瓦 連 續(xù) 、脈 沖 多 模 5-20 3 College of Materials Science and Engineering, BJUT College of Materials Science and Engineering, BJUTsubstrat plasmaFusion/vaporation ablation des dfauts IIIIIIO2 N2 Densit dnergie Lase

15、r（脈沖） Daprs Jos M. Vadillo, J. Javier Laserna, “Laser-induced plasma spectrometry: truly a surface analytical tool”, Spectrochimica Acta Part B, Vol. 59, 2004, pp. 47-161. College of Materials Science and Engineering, BJUT College of Materials Science and Engineering, BJUT 45鋼表面激光淬火橫截面金相組織 College o

16、f Materials Science and Engineering, BJUT1. 激 光 淬 火 College of Materials Science and Engineering, BJUT College of Materials Science and Engineering, BJUT1. 激 光 淬 火 College of Materials Science and Engineering, BJUT College of Materials Science and Engineering, BJUT College of Materials Science and E

17、ngineering, BJUT College of Materials Science and Engineering, BJUT College of Materials Science and Engineering, BJUT College of Materials Science and Engineering, BJUT College of Materials Science and Engineering, BJUT College of Materials Science and Engineering, BJUT College of Materials Science

18、 and Engineering, BJUT College of Materials Science and Engineering, BJUT離 化 后 的 原 子 在 強 電 場 的 加 速 作 用 下 ， 注射 進 入 靶 材 料 的 表 層 ， 以 改 變 這 種 材 料 表層 的 物 理 或 化 學 性 質 。 Ion implantation is a materials engineering process by which ions of a material can be implanted into another solid, thereby changing the

19、 physical properties of the solid. College of Materials Science and Engineering, BJUT 基 本 過 程 :v將 某 種 元 素 的 原 子 或 攜 帶 該 元 素 的 分 子 經 離 化 變 成 帶 電 離 子v在 強 電 場 中 加 速 ， 獲 得 較 高 的 動 能 后 ， 射 入 材 料 表 層 （ 靶）v以 改 變 這 種 材 料 表 層 的 物 理 或 化 學 性 質 College of Materials Science and Engineering, BJUT College of Mater

20、ials Science and Engineering, BJUT源 （ Source） ： 一 般 采 用 氣 體 源 ， 如 BF3， BCl3， PH3， ASH3等 。 如 用 固體 或 液 體 做 源 材 料 ， 一 般 先 加 熱 ， 得 到 它 們 的 蒸 汽 ， 再 導入 放 電 區(qū) 。 離 子 源 （ Ion Source） ： 燈 絲 （ filament） 發(fā) 出 的 自 由 電 子 在 電 磁 場 作 用 下 ， 獲 得足 夠 的 能 量 后 撞 擊 源 分 子 或 原 子 ， 使 它 們 電 離 成 離 子 ， 再經 吸 極 吸 出 ， 由 初 聚 焦 系 統(tǒng) 聚

21、成 離 子 束 ， 射 向 磁 分 析 器氣體源：BF 3，AsH3，PH3，Ar，GeH4，O2，N2，.離子源：As，Ga，Ge，Sb，P，. College of Materials Science and Engineering, BJUT The ions are generated in an ion source which consists of an oven where the particles are vaporized, and the arc chamber, where the particles are ionized mainly by the bombard

22、ment of the atoms or molecules with electrons but also by atom/atom and atom/molecule collisions. Due to a well designed magnetic field in the arc chamber, which increases the path length of the electrons, and by the external generation of electrons, the electron/atom collision probability is increa

23、sed, enabling a larger ion density. 離 子 源 （ Ion Source） College of Materials Science and Engineering, BJUT離 子 注 入 過 程 是 一 個 非 平 衡 過 程 ， 高 能 離 子 進 入 靶 后 不 斷 與原 子 核 及 其 核 外 電 子 碰 撞 ， 逐 步 損 失 能 量 ， 最 后 停 下 來 。 停 下 來 的 位 置 是 隨 機 的 ， 大 部 分 不 在 晶 格 上 ， 因 而 沒 有 電 活 性。 College of Materials Science and Engin

24、eering, BJUT注 入 離 子 如 何 在 體 內 靜 止 ？注 入 離 子 在 靶 內 的 能 量 損 失 分 為 兩 個 彼 此 獨 立 的 過 程 ： (1) 核 阻 止 （ nuclear stopping） ：來自靶原子核的阻止，經典兩體碰撞理論 (2) 電 子 阻 止 （ electronic stopping） ：來自靶內自由電子和束縛電子的阻止 總 能 量 損 失 為 兩 者 的 和 College of Materials Science and Engineering, BJUT 核 阻 止 本 領 與 電 子 阻 止 本 領 -LSS理 論注 入 離 子 的 分

25、布 College of Materials Science and Engineering, BJUT 核 阻 止 本 領 與 電 子 阻 止 本 領 -LSS理 論 真 實 分 布 非 常 復 雜 ， 不 服 從 嚴 格 的 高 斯 分 布當 輕 離 子 硼 （ B） 注 入 到 硅 中 ， 會 有 較 多 的 硼 離 子 受 到 大 角 度的 散 射 （ 背 散 射 ） ， 會 引 起 在 峰 值 位 置 與 表 面 一 側 有 較 多 的 離子 堆 積 ； 重 離 子 散 射 得 更 深 。注 入 離 子 的 分 布 College of Materials Science and E

26、ngineering, BJUT College of Materials Science and Engineering, BJUTAdvantages LimitationsProduces surface alloys independent of thermodynamic criteria Limited thickness of treated materialNo delamination concerns High-vacuum processNo significant dimensional changes Line-of-sight processAmbient-temp

27、erature processing possible Alloy concentrations dependent on sputteringEnhance surface properties while retaining bulk properties Relatively costly process; intensive training required compared to other processesHigh degree of control and reproducibility Limited commercial treatment facilities avai

28、lable College of Materials Science and Engineering, BJUTapplications College of Materials Science and Engineering, BJUTapplications College of Materials Science and Engineering, BJUT 42 College of Materials Science and Engineering, BJUT 43 幾 種 可 行 的 方 案1個 月 后 3個 月 后Ti 層 ， 1個 月 后 Ti 改 性 層 ， 1個 月 后 College of Materials Science and Engineering, BJUT 44 College of Materials Science and Engineering, BJUT 45 College of Materials Science and Engineering, BJUT 46SEM view of Ca Titanium soaked in SBF for 28 days College of Materials Science and Engineering, BJUT