螺旋断层放疗中场宽变化的剂量学评估：对器官保护、治疗效率及摆位误差敏感性的影响

《Radiation Physics and Chemistry》：Dosimetric evaluation of field width variation in helical Tomotherapy for sinonasal tumours: Implications for organ-at-risk sparing, treatment efficiency, and setup error sensitivity

离子辐照改性α-Fe?O?薄膜的物理特性研究：采用热蒸发法制备的α-Fe?O?薄膜经Ag??、O??和Li2?离子束辐照后，通过SRIM模拟分析氧空位形成机制，发现辐照引发α-Fe?O?相向α-Fe相的部分转变及晶粒择优取向，同时优化了光学带隙（1.29-2.7 eV）和电导率（提升至10?? S/m），表面表现出铁磁特性，为深紫外光电器件开发提供新思路。

　　铁氧化物因其广泛的技术应用而备受关注，其中包括FeO、FeO_x、α-Fe?O?、γ-Fe?O?、β-Fe?O?以及Fe?O?等。在这些铁氧化物中，α-Fe?O?因其较低的磁矩（表现出反铁磁性）而在磁性应用中受到一定限制，相比之下，γ-Fe?O?和Fe?O?则具有更强的磁性（分别为铁磁性和反铁磁性）。然而，α-Fe?O?作为热力学上最稳定的氧化物，具有非毒性、高稳定性和丰富的资源，因此它在多个领域仍然具有重要的研究价值。例如，α-Fe?O?被广泛用于气体传感、光电化学、抗腐蚀以及存储设备等应用。此外，α-Fe?O?是一种电荷转移绝缘体，其磁性行为在低于莫林转变温度（约260 K）时表现为反铁磁性，而在莫林转变温度以上至尼尔温度（约960 K）时则表现出弱铁磁性。然而，由于其较低的电导率（约10?11 S/m）和磁矩，α-Fe?O?在磁电子学领域的应用受到了一定的阻碍。因此，研究人员一直在探索多种方法来改善其电学和磁学性能，如外源掺杂、二维薄膜的形成以及离子束辐照等。

在众多方法中，离子束辐照被认为是一种有效的方式，能够通过引入可控的缺陷和应变来改变材料的结构和性能。近年来，研究者发现，通过高能离子束的辐照，可以显著提升α-Fe?O?的光学、电学和磁学特性。例如，Kamboj等人研究了100 MeV Ag1??离子辐照对GeSe薄膜的影响，并观察到辐照后薄膜的光学带隙和电导率都有显著提高。此外，一些研究还表明，通过热力学和动力学模型，可以预测铁氧化物材料在高能离子束作用下的相变行为。例如，有研究指出，120 MeV Ag??和600 mW功率激光的共同作用可以导致α-Fe?O?向Fe?O?和γ-Fe?O?的转变。同样，电子和微波辐照也被用于改善α-Fe?O?薄膜的磁性和电学特性，以期用于记忆存储设备和锂离子电池的阴极材料。

尽管上述研究已经取得了一定的进展，但大多数工作仍主要集中在理论预测和结构修饰方面，对辐照后材料磁性、电性和光学性质的变化缺乏深入的分析。因此，有必要进一步研究离子束辐照对α-Fe?O?薄膜的影响，特别是其对材料内部结构和性能的调控机制。本文研究了通过高能Ag??（120 MeV）、O??（75 MeV）和Li2?（30 MeV）离子辐照在p-Si（100）基底上生长的α-Fe?O?薄膜，旨在探索这些离子辐照对薄膜结构、形貌、光学和磁学性质的影响。

本研究中使用的Ag??、O??和Li2?离子的选择是基于它们的电子结构。这些离子的最外层电子壳层中各有一个电子，这使得它们在与α-Fe?O?薄膜相互作用时，能够有效引入缺陷并改变材料的物理特性。通过调整离子的辐照剂量，研究者希望能够在α-Fe?O?薄膜中实现结构相变，并进一步优化其性能。辐照剂量范围设定为1×1011至1×1013离子/cm2，以确保足够的影响同时避免过度破坏材料结构。

在实验过程中，首先使用热蒸发法在p-Si（100）基底上沉积α-Fe?O?薄膜。基底材料经过清洗处理，以去除表面杂质，确保薄膜的质量和性能。随后，将这些薄膜进行后续的热处理，温度设定为550°C，以稳定其在菱面体相的结构。热处理过程有助于消除沉积过程中可能产生的应力和缺陷，从而提高薄膜的均匀性和稳定性。

为了进一步了解离子辐照对薄膜的影响，研究者利用了Stopping and Range of Ions in Matter（SRIM）模拟软件。SRIM是一种广泛应用于材料科学领域的工具，用于计算高能离子在物质中的停止和穿透行为。通过SRIM模拟，研究者能够预测辐照过程中产生的缺陷分布和局部晶格失序情况。模拟结果表明，Ag??、O??和Li2?离子在α-Fe?O?薄膜中的相互作用会导致不同的缺陷形成和晶格结构变化。这些变化不仅影响薄膜的物理性能，还可能对其化学组成和表面特性产生深远的影响。

在实验观察中，研究者发现辐照后的α-Fe?O?薄膜表现出了一些显著的变化。首先，辐照诱导了结构相变，即从α-Fe?O?向α-Fe（体心立方结构）的转变。这种相变可能与离子辐照过程中产生的高能缺陷和应变有关，这些缺陷可能破坏原有的晶格结构，导致材料的相变。其次，辐照还引起了薄膜的择优取向，这表明材料在辐照后可能形成特定的晶体排列，从而影响其物理性能。此外，研究者还观察到局部晶格失序的出现，这可能是由于离子与薄膜的相互作用造成的。

为了更全面地理解这些变化，研究者还利用了Rutherford背散射光谱（RBS）技术来分析薄膜的元素分布情况。RBS能够提供薄膜与基底之间的界面元素混合信息，这对于理解离子辐照对材料化学组成的影响至关重要。实验结果表明，辐照后的薄膜在表面层（1-5 nm）中仍然保持了α-Fe?O?的化学计量比，但在更深层的区域，出现了非化学计量比的铁氧化物（Fe_xO_y），这可能是由于离子辐照导致的缺陷和化学组成变化。此外，薄膜与基底之间的元素混合也被观察到，这可能影响材料的整体性能。

在光学性能方面，研究者发现辐照后的α-Fe?O?薄膜表现出直接和间接光学带隙的变化。直接光学带隙范围在2.2至2.7 eV之间，而间接光学带隙则在1.29至2.09 eV之间。相比之下，原始的α-Fe?O?薄膜的直接光学带隙约为2.2 eV。这种变化可能与辐照过程中产生的缺陷和晶格结构变化有关，这些变化可能影响电子在材料中的跃迁行为，从而改变其光学带隙特性。此外，辐照还导致了电导率的显著提高，最高可达10?? S/m，这表明离子辐照对材料的电学性能有积极的影响。

在磁学性能方面，研究者发现辐照后的α-Fe?O?薄膜表现出表面和体相的铁磁性特征。这种磁性行为的出现可能与辐照过程中产生的缺陷和应变有关，这些变化可能改变了材料的磁性结构，使其从反铁磁性向铁磁性转变。这一发现对于开发新型磁电子学器件具有重要意义，因为铁磁性材料在磁存储和磁传感器等应用中具有广泛的应用前景。

综上所述，本研究通过高能离子辐照在p-Si（100）基底上生长的α-Fe?O?薄膜，发现了一系列显著的结构、形貌、光学和磁学性能的变化。这些变化不仅揭示了离子辐照对材料的影响机制，还为开发新型功能材料提供了重要的理论依据和实验支持。研究结果表明，Ag、O和Li离子辐照后的α-Fe?O?薄膜在太阳能电池、磁光电子器件和深紫外光探测器等领域具有广阔的应用前景。未来的研究可以进一步探索不同离子种类和辐照剂量对材料性能的影响，以期优化其在各种应用中的表现。