低能离子束调控蓝宝石自组织纳米结构及其光学性能研究

本研究聚焦于低能离子束诱导蓝宝石(C向)表面的自组织纳米结构形成及其光学性能变化。具体采用微波回旋共振离子源进行实验，离子束为氩离子(Ar+)，研究的核心参数包括离子束的入射能量和束流密度。当离子束的入射能量为1200电子伏特(eV)、束流密度为265微安/平方厘米(μA/cm²)时，随着入射角度从5°逐渐增加至40°，蓝宝石表面展现出点状的自组织纳米结构，这些结构的有序性相对较弱。 进一步将角度提升至45°，观察到有序的条纹结构开始出现。当角度扩大到45°到70°之间，纳米结构变得更为复杂，样品表面在离子束入射方向表现为柱状结构，而在垂直于入射方向，则呈现有序的条纹结构。值得注意的是，随着角度的增加，纳米条纹结构的特征波长呈现出非线性变化，从45°到60°期间先减小，约至21.1纳米，然后在60°附近达到极小值。当角度继续增大至70°到75°，样品表面表现出较大纵横比的纳米点状结构。 延长离子束的作用时间，会使得纳米结构的纵向尺寸增大，同时提高其有序性，但横向周期保持相对稳定。这种有序纳米结构的形成显著提升了蓝宝石的透射率，这表明了自组织过程对光传输性能的积极影响。研究认为，自组织结构的变化是由溅射粗糙化和表面驰豫机制的交互作用共同决定的，这两个因素在低能离子束刻蚀过程中起着关键作用。 这项研究揭示了通过精细调控低能离子束的参数，可以实现对蓝宝石表面自组织纳米结构的精确控制，这对于优化蓝宝石在光学应用中的性能具有重要的科学价值和技术意义。