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为探究硅表面纳米波纹形成机制，研究人员采用 5 keV N??离子斜角辐照 Si (100) 衬底，结合多种技术发现氮离子注入形成 Si?N?相，其相分离引发密度周期性变化，经溅射作用最终形成纳米波纹，为反应离子束刻蚀提供新见解。
在纳米材料表面工程领域，如何精准调控材料表面纳米级周期性结构的形成机制一直是研究热点。传统离子束溅射技术虽能制备纳米波纹（Nanoripple），但反应性离子（如分子氮离子）与半导体材料相互作用的原子级过程尚未完全明晰。尤其是惰性气体离子与反应性离子在诱导表面图案形成中的差异、化学不均匀性对表面失稳的贡献等问题，制约着该技术在功能器件、生物界面等领域的应用拓展。
为解决上述科学问题，印度可变能量回旋加速器中心（Variable Energy Cyclotron Centre, Kolkata）的研究团队开展了分子氮离子（N??）斜角辐照硅（Si）表面的纳米波纹形成机制研究。该研究成果发表在《Applied Surface Science》，为反应性离子束刻蚀技术提供了关键理论支撑。
研究人员采用 5 keV N??离子，以 60° 入射角对超声清洗的 Si (100) 衬底进行辐照，通过改变离子注量（Fluence，2×101?至 7×101? atoms/cm2），系统追踪表面及亚表面结构演化。主要技术方法包括：
- 掠入射小角 X 射线散射（GI-SAXS）：分析亚表面氮化硅层的相分离行为；
- 俄歇电子扫描显微镜（Auger Electron Scanning Microscopy）：提供氮化层相分离的化学证据；
- 原子力显微镜（AFM）及傅里叶变换（FFT）：表征表面粗糙度及波纹周期性变化；
- X 射线反射率（XRR）与SRIM 模拟：确定氮离子注入深度及损伤分布。
结果与讨论
离子注入与亚表面氮化硅形成
XRR 测量表明，入射氮离子在硅衬底中造成广泛损伤，平均注入深度为 29?，与 SRIM 模拟的垂直射程 45? 及离散度 30? 基本吻合。实验值略低可能归因于表面溅射导致的部分离子损失。注入的氮离子与硅反应生成 Si?N?相，形成埋置氮化层。
氮化层相分离与密度周期性调制
GI-SAXS 结果显示，随着注量增加，埋置氮化层发生相分离，在纳米尺度上产生密度周期性变化。这种化学不均匀性为后续表面失稳提供了初始扰动条件。
表面溅射与波纹形成动力学
初期辐照导致表面各向同性粗糙度增加（AFM 及 FFT 证实）。当注量足够高时，表面硅层被溅射去除，氮化层升至表面。由于富氮化区域与贫氮化区域的溅射速率差异，引发表面周期性失稳。进一步辐照下，成分依赖与曲率依赖的溅射共同作用，促使规则纳米波纹形成。俄歇电子扫描显微镜直接观测到氮化层的相分离，为机制提供了化学证据。
结论与意义
该研究揭示了分子氮离子斜角辐照硅表面形成纳米波纹的原子级路径：
- 氮离子注入形成 Si?N?埋置层，其相分离产生纳米尺度密度调制；
- 表面溅射使氮化层暴露，成分不均导致溅射差异，引发周期性失稳；
- 成分与曲率协同调控最终形成规则纳米波纹。
该工作首次在反应性离子 - 半导体体系中建立了 “离子注入 - 化学相分离 - 溅射失稳” 的完整机制链，填补了反应性离子束刻蚀纳米图案形成理论的空白。研究结果不仅深化了对离子束与固体相互作用的理解，也为设计氮化硅基纳米器件、调控表面浸润性及光学特性提供了新策略，对半导体制造、生物传感等领域具有重要指导意义。
