单表面改性硅膜中离子束沟道的取向依赖性研究及其在复杂异质结构分析中的应用

本研究通过实验与蒙特卡洛模拟（IMSIL）相结合，探究了Ga注入单晶硅（001）膜中22 Ne+ 和4 He+ 离子的传输散射与能量分布。研究发现，非晶化表面层的取向显著影响离子沟道行为：当离子束先接触晶体层时，轴向沟道主导传输；而先接触非晶层则导致更多离子进入高能损路径（如平面沟道）。该成果为keV级离子束成像及含晶态/非晶区域的异质结构分析提供了新见解。

　　

在半导体器件和纳米材料研究中，离子束与固体相互作用机制一直是核心课题。当高能离子穿透晶体材料时，其轨迹会受晶格周期性势场调控，形成独特的沟道效应（channeling），显著降低核阻止本领（nuclear stopping power）。然而，实际样品常存在表面非晶化层或界面缺陷，这些非理想结构如何影响离子传输行为仍缺乏系统认知。尤其对于兼具晶态与非晶区域的异质结构（如半导体器件中的栅极氧化层或地质样品中的多相界面），传统理论模型难以准确预测离子能量损失和散射分布。

为解决这一问题，来自卢森堡科学技术研究院（LIST）和瑞典乌普萨拉大学的研究团队，以Ga离子注入的单晶硅（001）膜为模型体系，结合280 keV ²²
Ne⁺
和⁴
He⁺
离子束实验与蒙特卡洛二元碰撞近似（Monte-Carlo binary collision approximation）模拟代码IMSIL，系统研究了非晶化表面层位置对离子传输的影响。研究成果发表于《Applied Surface Science》，为低能离子束分析技术应用于复杂异质结构提供了重要理论依据。

研究采用两项关键技术：一是通过应变控制制备200 nm超平单晶硅膜，确保沟道实验的几何精度；二是利用飞行时间（ToF）探测器同步记录透射离子的空间散射分布与能量损失谱。实验设置两种样品取向——非晶层朝向离子束（AC构型）或背向离子束（CA构型），通过对比揭示表面损伤层的调控机制。

实验样品
研究使用200 nm厚单晶硅（001）膜，经Ga离子注入诱导表面非晶化。参照组采用未处理的原始硅膜验证本底效应。通过拉伸应变保持膜平整度，消除弯曲对沟道角度的干扰。

实验与模拟结果
AC构型下，离子先经晶格轴向沟道后遭遇非晶层散射，出射粒子呈随机分布；CA构型中，非晶层首先生成随机轨迹，部分离子后续被晶格平面沟道捕获，形成特征星形散射图案（star pattern）且平均能量损失更高。模拟显示，CA构型的能量展宽较AC构型增加约40%，与实验观测一致。

结论
该研究首次阐明表面非晶化层位置对离子传输的双重调控作用：早期随机化（CA构型）促进离子进入高能损路径，而延迟随机化（AC构型）保留轴向沟道特征。这一发现修正了传统理论中仅关注体缺陷影响的局限，为设计抗辐照器件和优化离子束分析技术提供了新思路。例如，在半导体工艺中可通过调控非晶层位置实现离子注入深度的精确控制；在材料表征领域，该成果拓展了扫描透射离子显微术（STIM）对异质结构的解析能力，尤其适用于纳米级晶界/非晶界面的定量分析。

研究同时指出当前模拟的局限性——理想晶体假设导致定量偏差，未来需引入缺陷动力学模型以提升预测精度。这项工作为发展下一代离子束分析技术奠定了重要基础，特别是在新能源材料（如固态电解质界面）和微电子器件失效分析等前沿领域具有广阔应用前景。