田纳西大学Acta Mater.：高能重离子在单晶SrTiO3中产生的离子轨道研究

【引言】

高能重离子在各种氧化物陶瓷中沿其轨迹会产生高度缺陷或无定形结构，这被称为潜在的离子轨道。离子轨道的直径大都在纳米级，轨道长度可达几十微米，这种极大的高宽比对先进纳米结构的制造非常具有吸引力。潜在的离子轨迹可以用作电子电导率的纳米通道，并且蚀刻轨迹已经被用于薄膜中导电纳米线生长的模板。然而，科学家们对离子-固体相互作用中强烈的远离平衡过程了解甚少。最近有学者研究了高能重离子在单晶SrTiO₃中产生的潜在离子轨道，为相互作用的深入探究指明了方向。

【成果简介】

近日，来自美国田纳西大学的William J. Weber (通讯作者)等人在Acta Mater.上发布了一篇关于离子轨道的文章，题为“Synergistically-enhanced ion track formation in pre-damaged strontium titanate by energetic heavy ions”。
作者通过利用卢瑟福背散射光谱和扫描透射电子显微镜研究了高能重离子在单晶SrTiO3中产生的潜在离子轨道。结果表明，通过弹性碰撞过程引入预先存在的辐照损伤与来自高能重离子的电子能量沉积协同作用，以增强潜在离子轨迹的形成。平均非晶横截面积随着预损伤水平的增加而增加，并且与离子的电子能量损失成线性比例，斜率取决于预损伤水平。这项工作提供了对离子-固体相互作用的新理解，这些相互作用显著影响了潜在轨道的形成过程，非晶化模型和电陶瓷器件的制造。

【图片导读】

图1 原始晶体和预先损坏SrTiO3系统的计算能量沉积分布

原始和预损伤单晶SrTiO3离子能量沉积与离子轨道径向距离的函数关系图。

图2 用629MeV Xe和946MeV Au离子辐照后的RBS/C谱

(a) 没有预先损伤的原始SrTiO₃；

(b) 最大无序水平为0.06的有缺陷的SrTiO₃。

图3 有缺陷SrTiO₃与深度的函数关系

(a)〜0.01，(b) 0.06和(c) 0.21的最大无序水平进行629MeV Xe离子照射；

(d)〜0.01，(e) 0.06和(f) 0.10的最大无序水平进行了946MeV金照射。

图4 MD模拟

(a) xy平面的横截面；

(b) 沿原始SrTiO₃中四个连续的629MeV Xe离子相同离子路径的垂直视图；

(c) Xy平面的横截面；

(d) 沿着预先损坏SrTiO₃中的单个Xe离子路径的垂直视图。

图5 ABF图像

(a) 较低放大率的图像；

(b) （a）中所示有缺陷的SrTiO₃中无定形轨道的高放大率图像。

【小结】

本文系统地研究了高能重离子在单晶SrTiO₃中产生的潜在离子轨道。离子轨迹的形态取决于电子能量损失的大小，预先存在的损伤状态以及预先存在的损伤量。预先存在的缺陷降低了电子和原子的热导率，并增加了电子-声子耦合，从而增加了热尖峰的强度和径向限制。作者通过STEM表征和MD模拟证实了SHI离子轨道形态从预损坏区域的连续变化到原始晶体的不连续超出预损伤深度的变化。

文献链接：Synergistically-enhanced ion track formation in pre-damaged strontium titanate by energetic heavy ions(Acta Mater., 20 March, 2018 , DOI: 10.1016/j.actamat.2018.03.027)

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