离子注入是近代材料科学领域的一项崭新技术，在半导体工业、核工业、材料表面改性 和新型材料（如亚稳相、非晶相）合成领域都有独到之处〔1)。目前氨离子注人已愈来愈广 泛地用于提高材料表面硬度、耐磨擦、抗腐蚀性能等。然后相比之下，碳离子注入工作开展 得不够，原因之一可能是贰离子容易获得，而碳离子不容易获得，一般用到毒性气体，比如 CO,而且污染真空。本文利用北京机械工业自动化研究所的强离子源注入机，进行了碳离 子注入的基础性研究工作，这一注入机的束流达1~3μA/cm2,适合于≥1017/cm2的高剂量 注入。 1实验方法 核物理的理论和实验已经解决了离子在固体中的能量损失、射程和统计分布等问题，并 编成通用程序TRIM来进行计算〔2)。一定能量的离子注入到固体中具有一定的分布，比如 50kcV碳离子往入到纯金属Fc中，射程约为65nm,均方偏差约为35nm。因此制备100nm左 右的薄膜就可基本上保证注入离子在薄膜内。薄膜镀在NaCI晶体上，用去离子水溶去NaCl 后就可对样品进行电镜实验，除了电镜分析，还进行Auger谱测量来分析元素并从碳的KLL 峰群形状的化学效应来鉴定过渡金属碳化物的形成。另外通过邻近元素相形成的比较，进-· 步提供确定新相的可靠性。 2六方碳化钴新相 1Fc和Ni的碳化物中都有六方结构相。Fc的六方碳化物晶格常数为a=0,275n, c=0.435nm,Ni的为a=0.265nm,c=0.434nm。而现有资料如粉末衍射卡片c3),Pearson 相图手册【都未记载有六方碳化钴相。 当碳离子注入到1×10171cm2时，样品的电子衍射花样没有变化，仍然是纯金属环。但 当碳离子注入到剂量2.5×1017/cm2时，Fe和Ni中都形成了六方碳化物，同时在钻中也看 到了一个类似的衍射花样，如图1所示。图1a,b和c分别对应于Fe、Co和Ni的样品。 用Abbc比长仪仔细测量环间距，用纯Au和纯Ni的电子衍射环作相机常数(L)较谁，用 下面的公式计算晶面间离dc5): d=LAIr 其中2，是电子波长，r是环半径。这样得到的一组d与用a=0.268nm和c=0.433nm的六方品 格常数计算的晶面间距d相符合。结果如表1。晶面指数和强度变化也都与Fc和Ni中的六方 碳化物一致。 图2是一张典型的Aug©r微分谱。除了碳和钴元素外无其它元素，而且碳的KLL叠群形 状说明了过渡族金属碳化物的形成，其中以明显的3个主峰为特征(。，7) 从结构来看，碳最可能处于六方结构的八面体间隙。利用Goldschmidt/原子半径估计， 碳处于八面体间隙后，与钻原子有0,01m的电子云重叠。电子云的重叠正说明了化学键的形 成。按晶体场理论8)，过渡金属的2电子与碳的sp3电子杂化可构成八面间隙。 在电镜台上加热样品，观察衍射环的变化，当温度提高到250~300℃之间时，六方衍射 374离子注入是近代材料科学领域的一项崭新技术 ， 在半导体工业 、 核工业 、 材料表面改性 和新型材料 如亚稳相 、 非晶相 合成领域都有独到之处 〔 ‘ ’ 。 目前氮离子注人已愈来 愈 广 泛地用 于提高 材料表面硬度 、 耐磨擦 、 抗腐蚀性能等 。 然后相 比之下 ， 碳离子注入工 作开 展 得不够 ， 原 因之一可能是氮离 子容 易获得 而碳离子 不容易获得 ， 一 般用 到毒性气体 ， 比如 ， 而且污染真空 。 本文 利用北京机械工业 自动化研究所的强离子源注人机 ， 进行 了 碳 离 子 注人的基础性研究工作 ， 这一 注 入机的束流达 终 “ ， 适合于异 ‘ “ 的 高剂量 注 入 。 实 验 方 法 核物 理 的理论和 实验 已经解 决 了离子在 固体 中的 能 量损失 、 射程和 统计分布等 问题 ， 并 编 成通用程序 来进行计算 〔 ’ 。 一定能量的离子注 入到 固体中具有一定的 分 布 ， 比 如 碳离子 注入到 纯金属 中 ， 射程 约为 ， 均方偏差约为 。 因此制 备 左 右的 薄膜就可基本上保 证注 入离子在 薄膜内 。 薄膜镀在 晶体上 ， 用去离 子水 溶去 后就可对样 品进行 电 镜实验 。 除 了电 镜分析 ， 还进行 谱 测量来分析 元素并从碳的 峰群形状的 化学效应来 鉴定过渡金属 碳化物的 形成 。 另外通过 邻近元素相 形成的 比较 ， 进 一 步提 供确定新相的 可靠性 。 六方碳化钻新相 和 的碳化物 中都有六方结构相 。 。 的 六 方 碳 化 物 晶 格 常 数 为 。 。 。 了 。 。 ， 。 二 。 ， 的为 ” 。 ， 二 。 而现有资料如粉 末衍射卡片 ‘ “ 〕 ， 相 图手册 〔 ‘ ’ 都未记载有六方碳 化钻相 。 当碳离子 注 入到 ’ “ 时 ， 样品的 电子衍射花样没有变化 ， 仍 然是纯金属环 。 但 当碳离子 注人到 剂量 。 ‘ “ 时 ， 。 和 中都形成 了六方碳化物 ， 同时在 钻 中 也 看 到 了一个类似的 衍射花样 ， 如 图 所示 。 图 ， 和 分别对应于 、 。 和 的样 品 。 用 比长仪 仔细测量环 间距 ， 用 纯 和纯 的 电子衍射环 作相机常数 较 准 ， 用 下 面的公 式计算晶面 间离 〔 “ ’ 二 几了 其中久是电子波长 ， 是环半径 。 这样得到的 一组 与用 “ 二 。 和 。 。 的 六方晶 格常数计算的 晶面间距 相符合 。 结果如表 。 晶面指数和强度变化也都与 和 中的 六方 碳化物一致 。 图 是一张 典型的 微分谱 。 除 了碳和钻元素外无其它元素 ， 而 且碳的 叠群形 状说 明 了过渡族金属 碳化物的 形成 ， 其中以明显的 个主峰为 特征 〔 ’ 〕 。 从结构来 看 ， 碳最可能 处于六方结构的 八 面体 间隙 。 利用 原子半径估计 ， 碳处于八 面体间隙后 ， 与 钻原子有 的 电子 云重叠 。 电子云的 重叠正说 明了化学键的 形 成 。 按 晶体场理论 〔 ‘ ’ ， 过 渡金属的 “ 电子与碳的 电子杂化可构成八面间隙 。 在电镜台上加 热样 品 ， 观察衍射环 的变化 ， 当温度提高到 。 ℃ 之 间时 ， 六方衍射