利用辐照增长，Fe纳米颗粒在二氧化硅薄膜中的拉长效应

心音

文 | 大可天汉
编辑 | 大可天汉
辐照技术在纳米材料研究中扮演着重要角色，最近研究发现，通过辐照处理，成功地实现了嵌入二氧化硅薄膜中的铁纳米颗粒伸长现象，实验结果表明，经过定向离子束辐照处理后，Fe纳米颗粒在SiO2薄膜中，发生了显著的形态变化。
这一发现，对于纳米材料的制备和应用具有重要意义，随着纳米科技的发展，纳米材料的制备和性能调控，成为了研究的热点，在纳米颗粒研究中，探索控制纳米颗粒形态的方法，具有重要意义。

纳米级粒子具有多种吸引人的光学、电气和磁性特性，金属NPs通过形状、尺寸和介电环境，来决定其强烈的散射和吸收共振频率，几个世纪以来，玻璃制造商一直利用这种效应，尤其是在彩色玻璃窗和装饰玻璃艺术品中。

此外，NPs的化学特性，如表面积、机械稳定性和反应性，使其成为催化剂和传感应用的合适选择，通过使用高能离子束照射来调节形状，可以调整和定制各种微观和纳米物体，这种方法与传统的形状修饰方法相比，具有许多优势。

虽然已经发表了很多关于辐照诱导形状改变的文章，但目前的研究，主要集中在特定的贵金属NPs，如钴、金、银和镍，这些NPs对于使用离子束照射进行形状修饰非常适用，因为它们对于沉积在其电子系统中的能量非常敏感。

快速重离子在固体中的撞击，会产生高度激发材料的各向异性区域，称为离子轨迹，这些离子轨迹传递到周围材料，会导致离子轨迹冷却，和应力释放产生的各向异性应变冻结。

据推测，金属NPs的变形，是由于材料本身，以及金属与周围二氧化硅之间的相互作用，所导致的。
尽管进行了许多实验，在非常详细的层面上，对金属NPs的辐照诱导伸长机理，仍然没有很清楚的理解。

目前的研究，报告了对尚未探索的铁磁材料的辐照诱导形状变化效应，目的是通过修改NPs的尺寸和形状，可以调整大多数NPs的属性。

根据文献所述的方法，Fe NPs是通过气流溅射法制备的，在该过程中，给目标施加高负电压，加速Ar离子，并使Fe原子从目标表面溅射出来，纯度为99.999%的Ar流经靶材进入溅射室，必要时还使用氦气流。

溅射室被抽真空至4×10的负4次方帕斯卡的基本压力，Fe纳米簇从直径为99.95英寸，厚度为2.5英寸的Fe靶材上，溅射到铜背板上，将这些簇聚集到Si-SiO衬底的两个10×10毫米的面积上，衬底中天然SiO的厚度为200纳米。

溅射压力为150 Pa，靶材与出射孔径之间的距离约为200毫米，放电功率为290瓦，Ar流量约为490 SCCM。
研究人员制备了两种不同密度的Fe NPs，分别是大约和颗粒平方厘米，采用多种物理和光学技术对Fe NPs的形貌、尺寸和形状进行了检查。

通过检查在轻敲模式下，运行的原子力显微镜测量的高度剖面，可以检查NP的平均尺寸，结果显示，Fe NPs的平均尺寸在20-25纳米直径的范围内，此外，AFM还展示了粒子的均匀分布。
进行X射线衍射测量以表征生长的Fe NPs的结构，结果显示α-Fe具有100、200和210的bcc结构，在照射前，Fe NPs和顶部SiO之间，有一层厚度为200纳米的二级SiO覆盖层，这些Fe NPs，被限制在400纳米的SiO三明治结构中的单个平面中。

然后在910摄氏度的炉中退火15-20分钟，退火步骤旨在，促进顶部和底部二氧化硅膜之间的过渡扩散，从而实现氧化物和Fe NPs之间的最终接触。
但需要注意的是，α-Fe在910摄氏度的温度下，退火15-20分钟，可以转变为γ-Fe。

由于Fe与氧具有很强的化学亲和力，预计Fe NPs至少在表面被氧化，事实上，文献中已多次报道了，氧化对磁性铁矿材料性能的影响。
以前的研究结果显示，在空气中暴露后，热分解产生的15纳米铁NPs，经X射线衍射光谱显示，铁会迅速氧化形成镁铁矿和磁铁矿。

卢瑟福背散射光谱法，是一种测量二氧化硅薄膜中铁NPs密度、层厚度和尺寸的方法，该方法，通过分析在一定角度下，背散射的离子能量分布和产率，提供了关于铁NPs层状结构组成的定量信息。

在RBS测量中，研究人员使用了两个探测器，分别位于120°和170°的散射角处，来收集从样品背面散射的离子，然而，当前研究中所提供的数据，只使用了具有最佳深度分辨率的120°散射角探测器，所记录的光谱。

为了确保实验数据的内部一致性，如果需要，会将从120°探测器获得的结果，与从170°探测器推导出的结果进行比较，通过RBS分析，可以得到关于铁NPs的重要信息，包括其在二氧化硅薄膜中的密度、层厚度和尺寸。
这些数据对于理解铁NPs的形貌和特性，具有重要意义，并为进一步的研究和应用提供了基础。

利用高分辨率透射电子显微镜，可以检查二氧化硅薄膜中Fe NPs的存在，并进一步表征其在受到重离子束照射前后的大小和形状。
样品是通过制备横截面几何形状来准备的，并施加200 kV的加速电压，使用50 MeV Ag离子束在室温下，以法向入射几何形状对样品进行照射，通量为1014ions.cm−2，通过使用微米大小的法拉第杯，检查辐照期间的电流稳定性。

为了安装样品进行辐照，使用了一个巨大的金属支架，并涂抹导电浆料，以避免样品连续加热，通过静电扫描整个样品区域，以获得均匀的辐照，使用SRIM 2008代码，确定了外加银离子在SiO中的投影范围分布，发现它约为9.1μm。
后者比SiO的厚度要大得多，所以辐照仅用于在SiO中层-含有Fe NPs的层中沉积能量，通过检查饱和磁化和矫顽场的磁滞曲线，来研究辐照诱导应变对Fe NPs性能的影响，这些测量在2K下进行，外部磁场施加在垂直于含有Fe NPs的薄膜表面的方向上。

为了评估辐照前后SiOFe NPs层的结构完整性，通过检查反向散射光谱来进行评估，可以观察到，在受到重离子束照射之前的SiO的RBS光谱，包括含有铁NPs的层，从层结构的检查中，观察到氧边缘在约1.33 MeV处。
硅的边缘在约1.35 MeV处，其中66%来自SiSiO2界面，来自衬底的纯硅边缘在约1.40 MeV处。

在约1.5 MeV处，观察到一个明显的峰，这是由于基底中的铁散射引起的，RBS光谱中明显峰的出现，证实了二氧化硅薄膜中存在铁NPs。
虽然不同的Fe RBS峰，表示基底中Fe物质的深度分布，但其半最大值全宽，提供了间接的铁NPs大小信息。

因此，一种更简单、更快速的方法来计算铁NPs的大小，是通过比较在受到重离子束照射之前和之后Fe RBS峰的FWHM。

需要注意的是，从RBS分析中精确提取大小是困难的，只能遵循定性趋势，然而，为了确保实验数据集的一致性，一直通过使用高分辨率透射电子显微镜，来验证从RBS获得的结果，经过辐照后，对Fe NPs的伸长率与NPs密度，和辐照通量之间的关系，进行了研究。

两层硅胶薄膜中的Fe NPs密度，分别约为0.65×109和1.5×1010颗粒厘米2，从下图可以看出，随着辐照通量的增加，Fe RBS峰变得更宽，表明氧化层中Fe的分布范围更广，这可能是由于，纳米颗粒沿着离子方向，伸长成平行于其运动方向的纳米棒形状所致。

Fe RBS峰展宽，是通过计算峰的全宽半最大值得出的，在注量为1-3×1014ions.cm−2的辐照下，可以看出两个样品的FWHM增加相似，无论其NP密度如何。
由较低密度样品组成的Fe峰展宽趋于饱和，在注量为3-4×1014ions.cm−2的辐照下，展宽与NPs密度有关，特别是，随着初始NP密度的增加，纳米颗粒的伸长率也增加。

因此，在最大通量8×1014ions.cm−2的辐照下，具有较高NP密度样品的展宽曲线，没有显示出明显的饱和效应，此外，在注量为4-8×1014ions.cm−2之间的通量下，观察到伸长动力学减缓。

通过归一化RBS光谱，可以揭示50 MeV Ag离子辐照下，20 nm Fe纳米颗粒的情况，在辐照下，铁峰向更高能量移动，这是由于纳米颗粒向表面方向伸长导致的，同时还发现，两种不同密度的Fe纳米颗粒，经过3-8×10^14ionscm^2的辐照后，Fe峰向更高能量移动。
同时，还观察到在辐照通量达到3×10^14ionscm^2时，可以看到SiO2上细长颗粒顶部的量减少，这可能与两个同时发生的过程有关，纳米颗粒朝向样品表面的伸长率，以及表面材料的辐照诱导溅射。

根据所使用的法向入射几何形状照射样品的实验条件，实验证明SiO2顶部的溅射速率预计低于2 nm1x10^14ionscm^2，与Fe峰向表面的移动速率相比，后者可以忽略不计。
因此，可以认为Fe峰向更高能量移动，可能是纳米棒伸长到表面的结果，而不是表面材料溅射的结果。

在退火过程后，加热至910°C持续10-15分钟之前的未经辐照薄膜，其中铁纳米颗粒，以原始形状出现，直径约为20-25纳米，然而，当将50 MeV银离子照射到单个铁纳米颗粒上，辐照剂量为3×10^14ionscm^2时，出现了有趣的现象。

铁纳米颗粒转化为平行于离子束方向对齐的纳米棒，其长度约为35纳米，宽度约为10-12纳米，在辐照剂量为8×10^14ionscm^2时，铁纳米颗粒的形态进一步改变。
原本球形的铁纳米颗粒，被塑造成长60纳米、宽度为8-10纳米的扁平纳米棒，因此长宽比约为6-7，这些纳米棒形状的特征明确表明，在辐照过程中，铁纳米颗粒受到离子穿过二氧化硅薄膜的影响，而发生形状改变。

需要注意的是，转化成纳米棒的体积，大致等于原始球形纳米颗粒的体积，这表明在这些辐照条件下，离子整形过程被认为是一个单独的过程，换言之，每个纳米颗粒，都会单独变形为椭圆形的纳米棒。

结语研究人员通过RBS和TEM分析发现，铁纳米颗粒的峰值展宽，与生长纳米颗粒的密度有关，特别是，随着初始纳米颗粒密度的增加，纳米颗粒的伸长速率也增加。
通过对辐射后的纳米颗粒进行磁化曲线分析，研究人员发现，其磁各向异性更高，这可能与沿着离子束路径方向的纳米颗粒伸长速率有关，因此，得出结论，辐射诱导的铁纳米颗粒的形状修饰，与贵金属纳米颗粒在平行于离子束路径方向上，发生的类似现象相关。

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来源：http://www.yidianzixun.com/article/0qHMWv8r
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