低能离子辐照诱导金薄膜纳米结构形成与润湿性调控的基底效应机制研究

本文综述了8 keV Ne+离子辐照对硅/玻璃基底上10 nm金薄膜的纳米结构演化及润湿性调控机制。通过原子力显微镜（AFM）、接触角测量和卢瑟福背散射谱（RBS）等表征手段，揭示了核溅射（Sn）、去润湿和表面扩散等动力学过程对基底依赖性纳米形貌的影响，并结合二维去趋势波动分析（2D-DFA）阐明了分形维度与赫斯特指数（H）对表面记忆效应的量化规律，为精准调控功能化金属薄膜提供了新思路。

　　

引言

纳米技术革命推动了对金纳米结构（Au NSs）的深入研究，其独特的光学、电学和催化性能在生物传感、能源转换等领域展现出巨大潜力。本文聚焦低能离子束这一"自上而下"纳米加工技术，系统探讨8 keV Ne⁺离子辐照下，硅与玻璃基底如何通过能量损失机制（S_e=8.2 eV·?^-1，S_n=24.2 eV·?^-1）调控金薄膜的纳米结构演化。

表面形貌理论模型

平均粗糙度与界面宽度

通过原子力显微镜（AFM）数据定义的界面宽度（w）和平均粗糙度（R_a）揭示薄膜生长指数β的演化规律。研究发现辐照诱导的核溅射使硅基底金膜粗糙度从2.8 nm（原始）剧增至5.9 nm（1×10¹⁷ ions·cm^-2），而玻璃基底仅从1.7 nm增至3.9 nm，证实基底热导率对纳米结构尺寸的显著影响。

分形去趋势波动分析

二维多重分形DFA算法成功量化表面长程相关性。赫斯特指数（H）分析显示：原始状态下硅/玻璃基底均呈现反持续性（H<0.5），而辐照后硅基底在1×10¹⁶ ions·cm^-2即转为持续性（H=0.6502），玻璃基底需更高注量（1×10¹⁷ ions·cm^-2）才显现记忆效应（H=0.5422）。分形维度（D_f=3-H）计算表明硅基底D_f从2.5209降至2.3498，揭示辐照使表面拓扑结构更趋复杂。

实验结果与讨论

纳米结构演化

AFM三维形貌图清晰展示：硅基底上金纳米颗粒（1×10¹⁶ ions·cm^-2）呈现均匀分布，而玻璃基底在相同注量下形成更大尺寸岛状结构。RBS谱证实核溅射导致金含量梯度下降，硅基底在1×10¹⁷ ions·cm^-2仍保留明显金峰（通道能量~1.7 MeV），而玻璃基底金信号几乎消失，表明基底化学键合差异影响溅射产额。

润湿性调控机制

接触角（CA）测量发现有趣转变：硅基底CA从亲水的88.68°增至疏水的91.95°（1×10¹⁶ ions·cm^-2），而玻璃基底在1×10¹⁷ ions·cm^-2才实现疏水转变（CA=92.35°）。结合粗糙度数据分析，发现硅基底在R_a>5 nm时呈现反常的"高粗糙度高接触角"现象，这与传统Wenzel模型预测相反，暗示纳米级孔隙结构对Cassie-Baxter状态的稳定作用。

结论与展望

本研究通过多尺度表征揭示了基底性质对离子辐照效应的关键调控作用：硅的晶格结构促进各向异性纳米结构生长，而玻璃的非晶特性导致更大尺寸纳米颗粒形成。2D-DFA分析建立的H-D_f关联模型为预测表面润湿性转变提供了量化工具。未来研究可拓展至生物相容性基底，推动等离子体传感器和仿生界面材料的精准设计。

实验方法

采用热蒸发法（10^-7 mbar）制备10 nm金膜，8 keV Ne⁺离子辐照在IUAC完成。AFM采用Veeco DMSPM（Si₃N₄探针，曲率半径10-20 nm），RBS使用25 keV分辨率硅势垒探测器，接触角测量采用KRüSS DSA10悬滴法。