Как ионы влияют на вещество

 

Когда высокоэнергетичные ионы взаимодействуют с веществом, необходимо участие специалистов в физике твердого тела и инженеров по материалам. В зависимости от типов и энергий ионов, применяемых в GSI, открываются новые возможности и появляются новые потенциальные технические приложения материальных исследований. С этой точки зрения, уже существует успешное взаимодействие промышленности с научными центрами.

Когда высокоэнергичные ионы проникают внутрь твердых тел, материал вдоль траектории ионного пучка изменяется, атомы меняют свое положение, молекулы могут разбиться на куски, и упорядоченные структуры - такие, как, например, кристаллическая - разрушаются. В этом процессе создает так называемый скрытый трек, длина и диаметр которого зависят от типа иона и его энергии, равно как и от структуры и химического состава разрушаемого материала. Если доза радиации настолько высока, что ионные треки "переплетаются", тогда физические и химические свойства вещества могут меняться на макроскопическом уровне вплоть до появления новых материалов с новыми свойствами.

Исследования материалов в GSI охватывают как фундаментальные исследования, так и прикладные темы. Многие исследования нацелены на то, чтобы лучше понять, каке изменения производят ионные пучки в твердых телах. Другими словами, чтобы найти прямой путь к усовершенствованию материалов - не говоря уже о создании новых материалов - необходимо как можно более детальное понимание происходящих при этом процессов. Активность исследований в этой области связана с широким кругом интересущих технических приложений. Можно привести пример появления микроструктур в результате гальванического травления ионных треков, производство оптических волноводов, и увеличение максимальной плотности полупроводниковых переключателей на кристалле путем ионной бомбардировки.

 

***

 

Когда тяжелый ион с большой скоростью пролетает через вещество, его скорость резко уменьшается. За весьма короткий период времени значительное количество энергии тратится на столкновения с электронами материала вдоль траектории иона. В результате значительно растет локальная плотность энергии вдоль пути иона. Электроны, с которыми повстречался ион, отклоняясь, передают свою энергию окружающим атомам и молекулам. Если облучаемый материал - это кристалл, то кристаллическая структура при таком процессе может разрушиться.

В непосредственной близости от траектории иона структура материала может перестроиться в состояние, которое называется аморфным. Итоговый цилиндрический трек имеет диаметр около одной стотысячной миллиметра. Длина трека может составить до нескольких миллиметров в зависимости от первоначальной энергии иона. Изучение детальных характеристик такого трека много расскажет о процессах, происходящих при его образовании. Говоря точнее, особенности различных треков сильно различаются  в зависимости от различных материалов, а также в зависимости от того, является ли материал металлом, полупроводником или изолятором. В число исследуемых характеристик входят размер, форма и структура ионных треков, а также переходная зона от центральной площади трека к окружающему веществу.

Для таких исследований используется множество разных экспериментальных технологий. Сюда входит высокоразрешающая микроскопия, рентреновское и нейтронное просвечивание, инфракрасноая спектроскопия и трэко-селективные травление. В соединении экспериментальных исследований с вычислительным моделированием, исследователи создают модели образования треков. разработка моделей и их сравнение с экспериментальными результатами проводится на различных материалах. Как следствие, ученые могут шаг за шагом углублять понимание процессов.

Ионные треки имеют также большое количество практических применений. Учитывая отношение их длины к диаметру и определеив их поведение во время прохождения, можно с помощью ионного облучения получать очень хорошо структурированные объекты, размеры которых в ряде случаев могут быть менее тысячных долей миллиметра. Кислоты и основания могут прожигать дорожки в окрестростях трека значительно более агрессивно, чем в окружающих областях, где треков нет. Это явление частично происходит и в органических веществах. Таким способом, в зависимости от количества необлученного материала, можно получить очень длинные, почти цилиндрические каналы вдоль ионных треков. Ни один другой метод конструирования структур не может дать подобных результатов.

Таким образом можено проводить гальваническую репликацию треков, оставленных ионами. Если процесс отложения гальванического вещества заканчивается после того, как канал полностью исчерпан и материал субстрата полностью растворился, параллельно ему образуются параллельны микроскопические металличекие "иголочки". Это возможно потому, что ионные пучки обладают большой степернью параллелизма. При изменении геометрии треков, образованных бомбардирующими ионами, или изменении электролита или условий отложения могут образовывапться пластинки, конусы, иглы или трубки микроскопических размеров. Гальваническая репликация происходит на необлученной поверхности за пределами ионного трека, что также способствет улучшению наблюденй треков.

Появление микроструктур с использованием гальванических процессов сразу же вызывает мысль о множестве возможных технических применений. Возможно создание с помощью гальванического процесса длинного сверхтонкого цилиндра, который может быть использован как микроскопическая антенна для электромагнитного излучения, или сверхтонкая пластинка, которая может быть использована как источники для эмиссионного тока.

При массированной бомбардировке отдельтными ионами в прямом направлении может образовываться регулярная точечная решетка. После снятия облучения можно путем гальванической репликации получить желаемый диаметр и создать регулярную структуру микроскопических объектов. В общем, возможные практические применения простираются на широкий спектр - от микроэлектроники и микромеханики до биологии и медицины.

 

"Интеллигентные" мембанные фильтры для медицины и биологии.

Другое широкое поле применения связано с использованием ионно-облученных полимерных пленок и мембран с порами стандартных размеров. Диаметр пор может быть точно выбран в зависимости от облучаемого материала, типа ионов, их энергии, и используемого процесса обработки. Чтобы контролировать поток частиц или жидкостей через ионно-трековые мембраны, используется такой трюк: обработанная мембрана покрывается слоем расширяющегося гидрогеля, который покрывает всю пленку и все стенки пор. Далее такая мембрана ведет себя как механически стабильный переносимый материал. Используемый при этом гидрогель может обладать, например, таким свойством: расширяется при уменьшении температуры и сжимается, когда температура увеличивается. Таким образом, поры могут открываться или закрываться в зависимости от изменений температуры.

Или, напрмер, размер пор может меняться в зависимости от уровня рН окружающей жидкости. Это также может иметь мноежество применений: ну, например, дозировать концентрацию медикаментов.

В телекоммуникации и связанных с этим областях это - оптические волноводы и связанные с ними компоненты, такие как пары и распределители, значение которых стабильно растет.

Весьма вероятно, что количество таких приложений будет увеличиваться и они дадут экономическую выгоду в ближайшем будущем.

В последние несколько лет дизайнеры материалов все больше и больше концентрируют свое внимание на полимерыных составов, которые обладают низкой стоимостью. В сочетании с фотохимическими методами, ионная имплантация является очень многообещающей технологией для производства волноводных структур в полимерах. Эта технология основана на следующем эффекте: имплантируемые ионы разрывают химические связи в полимерах на всем своем пути, в результате чего образуются низкомолекулярные фрагменты. Как следствие, локальтная плотность материала повышается и его оптический коэффициент преломления увеличивается. Проникающая сила ионов и вызываемое ею утощение и углубление модифицированных слоев может регулироваться выбором первоначальной энергии иона. Доза облучения должна быть выбрана таким образом, чтобы изменение показателя преломления было достаточным для того, чтобы свет распространялся вдоль волноводной структуры. Излучение проводится с использованием самоподдерживающейся маски или необходимым образом структурированного слоя фоторезиста.

Путем ионой имплантации - ввода добавочных атомов конкретного химического элемента в результате ионного излучения -  можно изменять необходимым образом свойства металлических материалов. Приведем конкретный пример этого явления. Шар  рукоятка искусственного бедренного сустава сделана главным образом из сплава на основе легкого металла титана, покрытого полимером, из которого сделан искусственных хрящ. Высокотемпературное сопротивление на изнашиваемость и на разрыв этой системы ограничена образованием частиц оксида титана при взаимодействии шара сустава с полимерным хрящом. Однако ученые сумели имплантировать ионы различных энергий в поверхность титанового сплава таким образом, чтобы уменьшить взаимное истирание материалов. В лабораторных экспериментах четко зафиксировано уменьшение истирания вследствие имплантации определенных элементов.

Совершенно иное применение нашлось при тестировании электических цепей. Космические лучи могут искажать или разрушать записанные данные в бортовых компьютерах космических кораблей, спутников и высотных самолетов. Такие процессы можно симулировать с использованием тяжелых ионов и, проходя по электронным схемам, выявлять в них радиаионно-чувствительные компоненты. Здесь узкие пучки ионов отделяются от основного пучка и фокусируются в ионно-оптических линзах до ширины в 1 мкм. С использованием приборов магнитного отклонения эти пучки шаг за шагом сканируют исследуемый объект. Когда ионы разрушают электронную цепь, высвобождаются вторичные пучки (ионов или электронов). Там эти пучки попадают в детектор, который может зафиксировать пучок частиц длительностью в доли микросекунды. Затем компьютер фиксирует изменеия в цирулирующей по цепи информации - так называемый "битовый щелчок", вызываемый ионным ударом. Координаты точки, в которыю попала доза пучка, наносятся на карту, где изображены ионно-чувствительные места схемы.

 

Ионные треки улучшают сверхпроводники

Одно из наиболее известных свойств сверхпроводников - частично используемое на практике - это критическая плотность тока. Оно определяется как верхний предел, при котором сверхпроводник может проводить ток без потерь. Очень важно технологическое значение имеют новые высокотемпературные сверхпроводники, некоторые из которых функционируют при температурах более 100 градусов абсолютного нуля. Внешнее магнитное поле проникает в эти сверхпроводники в виде так называемых токовых трубок, которые мигрируют в материале сверхпроводника и являются причиной потерь энергии через тепло. И получается так, что движение этих токовых трубок и определяет верхнюю границу транспортируемого тока. Поиск эффективного метода фиксации этих токовых трубок являетсяочень важной задачей для ученых и технологов.

Известно, что неоднородности, такие как внутренние вкрапления, дислокации и поры в материале могут связывать токовые трубки таким образом, что плотность тока удержмвается без потерь. В экспериментах с тяжелыми ионами используется эта ситуация и "утилизированные" цилиндрические треки ведут себя как связывающие центры для токовых трубок. Таким путем можно существенно увеличить величину критической плотности.