田納西大學Acta Mater.：高能重離子在單晶SrTiO3中產生的離子軌道研究

【引言】

高能重離子在各種氧化物陶瓷中沿其軌跡會產生高度缺陷或無定形結構，這被稱為潛在的離子軌道。離子軌道的直徑大都在納米級，軌道長度可達幾十微米，這種極大的高寬比對先進納米結構的制造非常具有吸引力。潛在的離子軌跡可以用作電子電導率的納米通道，并且蝕刻軌跡已經被用于薄膜中導電納米線生長的模板。然而，科學家們對離子-固體相互作用中強烈的遠離平衡過程了解甚少。最近有學者研究了高能重離子在單晶SrTiO₃中產生的潛在離子軌道，為相互作用的深入探究指明了方向。

【成果簡介】

近日，來自美國田納西大學的William J. Weber (通訊作者)等人在Acta Mater.上發布了一篇關于離子軌道的文章，題為“Synergistically-enhanced ion track formation in pre-damaged strontium titanate by energetic heavy ions”。
作者通過利用盧瑟福背散射光譜和掃描透射電子顯微鏡研究了高能重離子在單晶SrTiO3中產生的潛在離子軌道。結果表明，通過彈性碰撞過程引入預先存在的輻照損傷與來自高能重離子的電子能量沉積協同作用，以增強潛在離子軌跡的形成。平均非晶橫截面積隨著預損傷水平的增加而增加，并且與離子的電子能量損失成線性比例，斜率取決于預損傷水平。這項工作提供了對離子-固體相互作用的新理解，這些相互作用顯著影響了潛在軌道的形成過程，非晶化模型和電陶瓷器件的制造。

【圖片導讀】

圖1 原始晶體和預先損壞SrTiO3系統的計算能量沉積分布

原始和預損傷單晶SrTiO3離子能量沉積與離子軌道徑向距離的函數關系圖。

圖2 用629MeV Xe和946MeV Au離子輻照后的RBS/C譜

(a) 沒有預先損傷的原始SrTiO₃；

(b) 最大無序水平為0.06的有缺陷的SrTiO₃。

圖3 有缺陷SrTiO₃與深度的函數關系

(a)?0.01，(b) 0.06和(c) 0.21的最大無序水平進行629MeV Xe離子照射；

(d)?0.01，(e) 0.06和(f) 0.10的最大無序水平進行了946MeV金照射。

圖4 MD模擬

(a) xy平面的橫截面；

(b) 沿原始SrTiO₃中四個連續的629MeV Xe離子相同離子路徑的垂直視圖；

(c) Xy平面的橫截面；

(d) 沿著預先損壞SrTiO₃中的單個Xe離子路徑的垂直視圖。

圖5 ABF圖像

(a) 較低放大率的圖像；

(b) （a）中所示有缺陷的SrTiO₃中無定形軌道的高放大率圖像。

【小結】

本文系統地研究了高能重離子在單晶SrTiO₃中產生的潛在離子軌道。離子軌跡的形態取決于電子能量損失的大小，預先存在的損傷狀態以及預先存在的損傷量。預先存在的缺陷降低了電子和原子的熱導率，并增加了電子-聲子耦合，從而增加了熱尖峰的強度和徑向限制。作者通過STEM表征和MD模擬證實了SHI離子軌道形態從預損壞區域的連續變化到原始晶體的不連續超出預損傷深度的變化。

文獻鏈接：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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