离子注入技术的发展及其在材料方面的应用
离子注入技术的发展
及其在材料方面的应用
摘要
离子注入是一项新兴的材料表面改性技术。它可以使材料表面的机械、物理、化学、电学等性能发生变化。有效地提高材料表面的硬度以及耐磨擦、耐磨损、抗腐蚀、抗疲劳等能力，延长材料使用寿命，增加经济收益。本文介绍了离子注入的基本原理以及技术特点，描述了离子注入在金属材料表面改性、半导体材料以及超导方面的技术应用，并展望了离子注入的应用前景。
关键词：离子注入；材料；表面改性；半导体；超导
一、绪论
离子注入技术于七十年代初首先成功地应用于半导体工业，成为制备大规模集成电路必不可少的手段之一。八十年代起人们把离子注入技术开始用于金属材料的表面改性。由于该项技术本身的独特优点、良好的改性效果以及潜在的巨大经济效益，近年来吸引了愈来愈多的研究者开始从事该项技术的开发研究。日前，随着应用范围的日益扩大和理论研究的不断深入，离子注入技术日趋成熟。
近年来离子注入的方式也更加多样化，除了常规离子注入外，由此派生出的其它注入方法有：反冲注入、动态反冲注入、离子束混合等。注入方式的多样化完善了注入实验手段，使人们对各种具体情况可以选择恰当的注入方式，以满足不同的要求。
在实际应用中，很多方面都需要固体材料有较好的表面性能，如耐腐蚀性，抗磨损性，较高的硬度和抗氧化性等，而这些性能都直接与固体材料表面成分，结构组态，化台物相等有关，离于注入技术是最重要的手段之一。
离子注入技术应用于金属材料的改性，从碳素工具钢、硬质合金刚到人造或天然金刚石制造的量具、刃具、刀具、模具和工件等，通过表面改性，可提高使用寿命。经离子注入后，材料(或工件)韵表面硬度、耐磨损性能、抗腐蚀能力及使用寿命等，一般可提高几倍到十几倍。目前，离子注入已经发展成为一门核技术与金属学之间新兴的边缘学科——“离子注入冶金学” (Ion Implantation Metallurgy)。各发达国家都十分关注这门学科的发展和应用。
二、关于离子注入的简单介绍
（一）离子注入的定义
离子注入是利用某些杂质原子经离化后形成带电杂质离子，离子经过一定的电场加速，直接轰击靶材料实现掺杂或其他作用。一般的说,离子能量在1－5KeV 的称为离子镀；称作离子溅射；一般称10－几百KeV的称为离子注入。注入到材料中的离子具有很高的能量，足以使注入层的化学组分和原子结构发生变化，这样使得材料表面的机械、物理、化学、电学等性能也随之改变．从而达到材料表面改性的目的。
简单地说，离子注入的过程，就是在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在所选择的（即被注入的）区域形成一
个具有特殊性质的表面层（注入层），是把掺杂剂的原子引入固体中的一种材料改性方法。下面是一个离子注入系统的示意图。
不同类型的离子源用于产生各种强度的离子束；质量分析器用来除去不需要的杂质离子；束流扫描装置用来保证大面积注入的均匀性；靶室用来安装需要注入的样品或元器件，对不同的对象和不同的注入条件要求可选用不同构造的靶室。
（二）离子注入技术的特点
离子注入是一种新型表面处理技术。它是通过注入外来离子改变材料近表面化学成分和表面层结构, 从而提高材料表面的物理、力学和化学性能, 同时又保持基体材料原有性能、尺寸和表面光洁度。
与其它处理技术相比, 离子注入有以下特点
1、可将任何元素注入基体材料的近表面层, 而不受热力学的限制；
2、注入元素和基体材料的选配不受限制,注入量不受材料溶解度的限制, 可以得到常规方法不能得到的表面层结构；
3、注入层和基体材料之问无明显界面, 不存在脱落分层问题, 不妨碍基体传热；
4、注入元素的数量和注入深度均可精确控制, 易于实现自动化生产。由于可控制性的改善, 离子注入使半导体器件的产量提高10倍；
5、可在低温、室温和高温下进行离子注入能在低温下处理是离子注入的一个突出优点,这对高温下处理时会使基体性能恶化的零部件是十分重要的；
6、注入工件表面的元素均匀性好, 这特别有利于半导体集成电路的掺杂,
改善掺杂的均匀性, 可以提高集成电路的成品率；
7、注入工件表面的元素纯度比较高；
8、不会产生污染环境的排泄物。
上述优点使离子注入技术在许多应用领域研部门和工业界的广泛注意。它首先在航空航天和军械工业中得到重视和应用。目前研制的离子注入设备可降低生产成本, 使离子注入技术可与传统的精饰工艺相竞争。
三、离子注入技术的发展及应用
（一）在金属材料改性方面的应用
离子注入作为金属材料表面改性的手段已受到关注, 其应用主要有以下三点改变金属材料表面的力学性能，如摩擦、摩损、硬度以及材料的疲劳寿命等,改变金属材料表面的化学性能, 如高温及中温条件下的抗氧化性能、抗水溶液腐蚀性能及提高表面电化学性能等改变金属材料表面的物理性能, 如电性能、超导性能、光学性能及绝缘性能等。
1．材料表面改性的一般方式及物理过程
离子注人材料表面改性的一般方式是，选择一些合适种类的离子，如N、C、Ti等，经加速器加速达到一定能量后，轰击金属材料表面，入射离子的剂量为1O17离子/cm2 量级，在多数情况下，把入射离子与靶的相互作用仅仅看成是电子碰撞是不够的．还必须考虑入射粒子与靶内原子核的相互作用，在入射粒子能量较低时，主要考虑入射离子与靶原子核的弹性碰撞，几百KeV的离子注入其相互作用情形即为如此。入射离子在靶中会形成一定的射程分布，对非晶靶，该分布接近于高斯型。相同的离子，以不同的能量射入靶中，其射程分布是不相同的。一般而言能量越大其射程值越大。不同的离子，以相同的能量入射，一般来说，轻离子的射程值要大些，能量越大，平均射程的值也越大。
人射离子进入靶后，通过与靶物质中的电子和原子核相互作用，逐渐损失自己的动能，直至在靶中停止下来。这一过程称为离子在固体中的慢化。从能量转换的角度来说，离子在所经过的路径上将能量传递给靶原子核和电子，这一过程为能量淀积过程．失去能量后的入射离子，最后将终止在晶体中的某一位置．而被碰撞后的原子则获得足够的能量．使它摆脱原来晶格的束缚，离开平衡位置进人间隙态．而使晶体内产生一个缺陷，这是离子注入辐射损伤中最简单、最基本的一种晶格损伤。若被移位的原子把它的能量依次转移到其它原子上去，将发生
级联位移，形成更多的缺陷，造成更为复杂的损伤复合体。以上由离子注入造成的辐射损伤对半导体的电性能有很大影响。因此，有时需在一定条件下进行热处理(称退火)，以消除辐射损伤造成的缺陷，使损伤的晶格得到一定程度的恢复。
离子注入技术是一种影响或改变材料表面性能的有效手段之一。通过选择合适能量(几百KeV)．剂量(1O15离子/cm2)以及合适种类的离子注人金属材料表面。以降低其摩擦系数．提高其耐磨损．耐腐蚀性能等方面均有明显效果。离子注人技术将在改善材料表面性能、构造新材料等方面起到越来越重要的作用。
2．金属材料表面改性的经济效益。
．提高表面硬度
大量实验表明,金属材料经离子注入后表面硬度会有明显提高。表面硬度的提高是由于荷能离子是强行轰击进入材料表面，注入离子与表面层原子发生相互作用交换能量最终停留在基体材料中.它们或者处于表面晶格原子的间隙成为间隙原子,或者与表面晶格原子发生置换成为替代原子，这将使注入区发生膨胀。但它又受到基体的抑制，因此会产生很强的侧向压应力，与喷丸强化相似起到硬化表面的效果。另外，固溶强化、分散强化也是使表面硬化的重要机制。
．改善材料表面口的耐磨性
一般情况下，金属中注入某种离子 (用得最多的是氮离子N +)，在经过退火处理后往往就会使表面硬度和耐磨性有明显提高，对此有几种解释：a.注入表面存在非常大的应力；b.注入层内存在细微分散的新合金相；c.离子注入在表面屡形成大量缺陷(如空位间隙原子、位错线、位错环等)产生的位错钉扎效应，它们部可以改善材料表面的耐磨性能。
．提高金属抗电化学腐蚀性能
用离子注入技术可以降低材料在电解质溶液中的钝化势和临界电流密度，影响阳极氧化过程，从而降低材料被腐蚀速度，提高抗腐蚀能力。离子注入在材料表面形成的新台金相、非晶层等结构是提高材料耐腐蚀性能的重要原因。
．提高金属的抗疲劳强度
离子注入可以提高材料的抗疲劳性能。一般认为离子注入可以改变材料表面层的剩余应力。由于表面剩余张力能加速疲劳裂纹的生成，加速材料疲劳；而表面剩余压应力能延缓疲劳裂纹的生成，所以离子注入改善金属疲劳强度的关键是选择适当类型的离子，略大于基质原子的离子经注入后能填塞于基质原子的间隙中，使有害的剩余张应力减少，甚至转化为压应力，延缓疲劳裂纹的生成。
（二）在半导体、集成电路和超大规模集成电路上的应用
离子注入已成为半导体生产的常规工艺。它和电子束、激光束配合而形成超大规模集成电路的亚微米加工技术。离子注入砷化嫁可制出超高速集成电路, 其速度比同样规模的硅材料制的电路快几倍、而且工艺也大大简化。离子注入HgCdTe可制出卫星照象和遥感用高灵敏度的红外探测器。
离子注入技术在半导体中的应用主要涉及以下几个方面：
1．离子注入在浅结形成中的应用
为了抑制MOS穿通电流和减小器件的短沟效应,半导体工艺的重要要求是减小CMOS源/漏结深。先进CMOS工艺对器件p-n结有很高要求,要有高的表面掺杂浓度、极浅的结深、低接触和薄层电阻以及小的结漏电流等。
为了形成浅结,离子注入是一种可选技术,结深由注入能量和下一步扩散工艺决定。注入能量的下限受束流下降限制,扩散温度的下限取决于消除注入损伤、激活杂质和避免退火期间的瞬时增强扩散。现代商业注入机通常不低于10keV,非常低的能量存在束流稳定和低束流问题。为了制作超浅p-n结,现代商业注入机所采用的注入杂质的射程太大,为获得小于60nm的结深,要严格控制注入分布,对此还存在于射程偏差、横向偏差和沟道等有关的问题。为了形成非晶的表面层,注入一种电不激活物质,如硅或锗,可以制作p-n浅结。这样可以消除沟道效应,而且与重损伤注入层相比,完全非晶层退火后有更好的晶体质量。
在形成p-n浅结的工艺过程中,与离子注入相关的主要缺点是在结区附近存在剩余缺陷,要用高温才能消除这些缺陷,为了克服用离子注入制备浅p-n结的困难,已试验了各种工艺,主要包括:由掺杂沉积层扩散、外延Si ，Ge ， Si1-xGex、多晶Si和Si1-xGex、硅化物、硼硅玻璃、涂布二氧化硅乳胶、气相浸没激光掺杂、气相扩散、等离子体浸没离子注入等。
2．化合物半导体集成电路工艺中的离子注入
(1) 掺杂工艺
化合物半导体相对于硅的主要优点在于其较大的能隙和较高的载流子迁移率。一般来说,这些性质允许它们在较高温度和较高频率下工作。一个附加的化合物半导体的性质是其应用带隙工程的本领,通过组分改变产生二元、三元、四元或更复杂的化合物。Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体元素可以子晶格混合来调整能隙、光学及电学性质。
掺杂工艺选择离子注入还是扩散方法,或直接由外延生长产生导电层,这取
决于器件所要求的电学特性和允许的制造工艺。用扩散产生结的方法近年来在化合物材料中并不常用,虽然在GaAs工艺中有一些重要应用。但是,扩散层深度和剖面的控制比离子注入或外延生长掺杂方法困难得多。因此基于扩散的掺杂工艺日益被冷落。离子注入的广泛应用是许多制造工厂的选择。这主要是由于其类似硅的工艺流程和相对低的器件制造成本。尽管外延层成本高于离子注入的衬底,但它以异质结构材料的发展和对掺杂及组分接近原子级的精确控制充分发挥出化合物半导体的能力,由于异质结构的许多优点,这些材料很快取代了基于离子注入或外延工艺的MESFET,特别是在高频和光电子应用方面。
(2) 隔离工艺
为了阻止集成电路中器件间的相互作用，需要电学隔离，其目的是限制或消除器件间电流和电场的相互作用程度，使它们不会影响器件的工作。应用适当的隔离技术可以降低电路的寄生效应，结果实现了器件的较高性能。电容、电感耦合和漏电流都能被消除。此外，电子或空穴可以更好地被限制于晶体管单元胞中。使用隔离技术，导致更好的电学特性的重复性，对有源区内电荷分布的更好控制，及类似的对无源元件，如电阻、电感和电容特性的控制。
用于化合物半导体集成电路的制造有两种隔离技术：离子注入和台面腐蚀。每一方法都有其优点和缺点，但台面腐蚀技术是首先发展的。由于衬底质量和器件制作工艺的不断改进，离子注入技术逐渐变为隔离技术的首选方法。离子注入允许所希望的平坦化外观，并可产生更精确的器件几何尺寸，这对于高成品率和高可靠性及制造高密度电路是必不可少的。然而，非常浅的或高掺杂层的有效隔离在实际中是十分困难的，主要是因为离子注入工艺中杂质是高斯型分布的。为此，则使注入离子通过光刻胶，使杂质分布的峰值在表面附近，从而解决了这一问题。
3．半导体器件生产中离子注入技术与常规掺杂工艺比较
．注入的杂质不受靶材料溶解度的限制。离子注入过程和高温扩散工艺相比，具有本质不同的物理过程。前者掺杂指标不受扩散系数和化学结合力等因素的限制，原则上对各种元素均可掺杂，并且能够在低温、室温、高温三种情况下进行注入。所以，这不仅可以避免热扩散的高温过程所带来的不良影响，而且在制造半导体器件工艺上，可以灵活多样、适应性强，可根据需要从几十种元素中挑选合适的n型或p型杂质，注入到各种半导体材料（如半导体Si, Ge, GaAs, InSb……等）中去。
.可以精确地控制掺杂杂质的数量和掺杂浓度。热扩散工艺，本质上伴随着化学变化，对于浓度极低和极浅的结是很难控制的，难于实现工艺过程的自动控制。而离子注入技术则可以自由地支配两个独立参量（能量和剂量），从而能精确地控制掺杂的深度和浓度分布。对于要求杂质浓度分布形状很特殊的某些器件，就更需要离子注入进行掺杂。因为离子注入机容易实现控制装置的自动化，从而保证了掺杂的精度和重复性。正因为离子注入掺杂的参数可以精确控制，故可用来调整大规模集成电路的电参量，如MOS电路阈值，双极电路中三极管的β、f T等参数。因此，这种技术被称作精密的掺杂技术，用这种技术生产的集成电路，其批次重复性要比扩散掺杂好得多。这种特性结果，也提高了电路成品率。
.离子注入不会产生像热扩散那样严重的横向扩散。一般在较低的温度处理时，由于离子的直进性，注入杂质是按图形板模近于垂直向里选择掺杂。根据右川理论，这种掺杂有着比热扩散小得多的横向扩散。按照这个道理，采用离子注入技术制备这种电路，其线条间距可以进一步缩短，最小可缩短到1微米（热扩散线条间距要大于3微米），因此可以提高集成电路的集成度。
.离子掺杂可使大面积均匀。由于离子注入加入了电扫描控制掺杂，因而掺杂的均匀性比扩散掺杂好得多。比如对3英寸的片子来说，用离子注入时，整个片子上的电阻率的均匀性可做到3%，而热扩散法则仅为10%。因此，这种技术更适用于大型硅片生产，并且成为超大规模集成电路的主要手段。
.由于离子掺杂过程是低温过程，可以避免热扩散所引入的热缺陷。因此特别适用于易被热分解的半导体材料的掺杂（如化合物半导体）。
.掺杂杂质纯度高。离子注入是通过质量分析器来选取单一杂质离子的，从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。
.高能量的入射离子能够穿透一定厚度的掩蔽膜（如SiO2膜）进行注入。利用这个特点，可以准确地调节MOS器件的阈值电压；能够提高大规模集成电路中（MOS）的厚膜开启电压（VT值），使器件能大为提高；通过SiO2层向n沟道注入p+后，n沟道向体内移动，表面束缚电荷的影响减小，使迁移率提高，MOS开关速度提高，从而制得高速度MOS器件；利用这种技术还可以制造埋沟CCD等。另外，离子能通过表面层注入，在一定的条件下，使晶体表面避免如热扩散所带来的不规则和吸附层等不良影响。
.离子注入技术在化合物半导体方面的应用则具有更特殊的意义。因为化合物半导体材料是由几种元素按照一定的组分比构成的，所以，进行掺杂时比元素
半导体复杂，采用常规的高温扩散工艺会遇到更多的困难。若采用离子注入技术，就比较方便易行。例如，向GaAs半导体片中注入S+是在室温中（或较低的靶加热温度下）进行，然后在一定的保护条件下将注入S+的GaAs样品进行热处理。由此可见，离子注入技术是把向衬底进行定量掺杂和高温处理分为两个独立的过程进行的，从而防止了衬底材料的热分解或杂质自补偿以及杂志外扩散等问题的发生。目前，采用离子注入技术在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及三元或三元以上混合晶体等方面，都取得了可喜的成就。许多新型的化合物半导体器件，由于离子注入技术的发展，突破了常规工艺中的难关，先后被研制成功。
（三）在超导材料中的应用
在超导研究的早期，人们就开始利用离子注入寻求具有较高临界温度的超导材料。通过离子注入可改变超导材科的化合物成分配比，形成新的超导亚稳相；还能增加难溶元素的含量而不受溶解度的限制；同时又能在材料中形成可控制的缺陷或消除材料中的空位，由此可控制影响临界温度的某些因素。自液氟温区的超导体问世来，不断有研究者在这方面进行了尝试，分别对钇系薄膜，钇系和铋系的烧结样品进行各种能量和各种离子的注入，研究由此引起的超导电性和结构方面的变化。
1.钇系
各项研究表明，YBa2Cu3O7的临界温度对辐射较敏感，随结构内的损伤程度增加，不仅出现临界温度下降，还可引起正交一四方相转变，并伴有金属一半导体的行为转变。
YBazCuaO7薄膜受5OokeV--O 和2MeV—As辐射时，随剂量增加电导率呈指数下降，同时还可观察到非晶态在晶界处逐渐形成，由此导致临界温度下降。
2.铋系
铋系玻璃是在晶化以后才显出超导电性的，所以离子注入产生的结构变化将会影响晶化过程中的晶相形成及晶体生长，进而影响最终样品的超导电性。实验中发现，注入银离子的玻璃晶化后，表面析出的晶相和晶体形貌与原始玻璃完全不同，组成接近超导相的片状晶体和含SrCaCu的非超导相在注入样品表面上共存，使相应的R—T曲线上出现两个电阻转变点，临界温度分别为110K和90K。同时还观察到注入样品表面有结构为单晶、组成为超导相、排列整齐的晶须定向生长。结构分析表明。，注入产生的辐射损伤使得玻璃表面组成和结构发生变化，
注入引起的增张扩散效应又加速了质点在晶化过程中的迁穆，影响了结构中各组成的化学环境和分布状态，最终导致了注入样品与原始玻璃在析晶行为和超导电性方面的差异。
四、离子注入技术的应用前景
离子注入作为一门新的材料表面处理技术，发展前景也是十分诱人的。目前处于发展阶段，但专家们认为它是一门非常有前途的新兴技术。在极薄的材料表面层经过离子注入技术处理，就能使工件的使用寿向延长几倍甚至十几倍，效果和收益相当可观。它还可以有控制地产生其它方法所不能得到的新的表面合金。被冶金学家称之为特殊的冶金技术，出现了离子注入冶金学这一新的研究领域。本文重点讨论了离子注入在金属的表面改性、半导体器件及超导方面的应用研究，并已取得了令人满意的结果。当然还有其他方面的应用，例如：通过注入离子和生物体的相互作用实现诱变育种、细胞加工和基因转移等；通过离子注入还可以研究表面物理和非晶态特性；另外离子注入还可以用于陶瓷、玻璃、晶体、聚合物等材料的表面改性。
特别是到目前为止，人类对超导电性的研究和开发应用还远没有完成，关于高温超导机制的问题尚未解决，超导材料的临界温度也未能再进一步提高，这方面的探索还在继续进行。离子注入这一材料表面改性方法作为研究超导材料的有力工具还将在这一领域发挥其特有的作用。
因此我们可以说离子注入技术的发展水平，会影响到现代工业中许多行业的发展，对离子注入这门学科我们还有很长的路要走。
参考文献
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离子液体的应用前景
离子液体的应用前景 离子液体是指全部由离子组成的液体，如高温下的KCI,KOH呈液体状态，此时它们就是离子液体。在室温或室温附近温度下呈液态的由离子构成的物质，称为室温离子液体、室温熔融盐、有机离子液体等，目前尚无统一的名称，但倾向于简称离子液体。在离子化合物中，阴阳离子之间的作用力为库仑力，其大小与阴阳离子的电荷数量及半径有关，离子半径越大，它们之间的作用力越小，这种离子化合物的熔点就越低。某些离子化合物的阴阳离子体积很大，结构松散，导致它们之间的作用力较低，以至于熔点接近室温。 离子液体的优点 一、离子液体无味、不燃，其蒸汽压极低，因此可用在高真空体系中，同时可减少因挥发而产生的环境污染问题； 二、离子液体对有机和无机物都有良好的溶解性能，可使反应在均相条件下进行，同时可减少设备体积； 三、可操作温度范围宽（-40～300℃），具有良好的热稳定性和化学稳定性，易与其它物质分离，可以循环利用； 四、表现出Lewis、Franklin酸的酸性，且酸强度可调。 上述优点对许多有机化学反应，如聚合反应、烷基化反应、酰基化反应，离子溶液都是良好的溶剂。 离子液体的应用前景 迄今为止，室温离子液体的研究取得了惊人的进展。北大西洋公约组织于2000年召开了有关离子液体的专家会议；欧盟委员会有一个有关离子液体的3年计划；日本、韩国也有相关研究的相继报道。在我国，中国科学院兰州化学物理研究所西部生态绿色化学研究发展中心、北京大学绿色催化实验室、华东师范大学离子液体研究中心等机构也开展专门的研究。兰州化学物理研究所已在该领域取得重大突破，率先制备了多种咪唑类离子液体润滑剂。 世界领先的离子液体开发者—德国SolventInnovation公司即将推出数以吨计的商品。SolventInnovation公司也正在开发一系列的离子液体，以取代对环境极有害的溶剂。其
离子注入对金属材料改性
离子注入材料表面改性的研究方法 【摘要】本文论述了离子注入材料表面改性的特点和发展应用，阐述了离子注入材料表面改性的机理。大量研究表明，离子注入通过改变材料表面和界面的物理化学特性及微观结构，能够显著提高材料的抗磨损，抗疲劳，抗腐蚀，抗氧化特性。离子注入不仅可以提高材料表面性能，延长材料使用寿命，还可以节约贵金属资源，具有很好的经济效益和应用前景。 【关键词】离子注入技术；材料表面改性；研究方法 1.前言 20世纪70年代，离子注入应用于材料表面改性并逐渐发展成一种新颖有效的材料表面改性方法。它是把工作(金属，合金，陶瓷等)放在离子注入机的真空靶室中，通过加高电压，把所需元素的离子注入到工件表层的一种工艺。材料经离子注入后，在其零点几微米的表层中增加注入元素和辐照损伤，从而使材料的物理化学性能发生显著变化。 大量实验证实，离子注入能使金属和合金的摩擦因素，耐磨性，抗氧化性，抗腐蚀性，耐疲劳性以及某些材料的超导性能，催化性能，光学性能等发生显著变化，能够大大提高材料的性能和使用寿命。离子注入在工业中应用能取得很好的效益，除延长工件的使用寿命外，还由于离子注入仅用较少量的合金元素，就可以得到较高的表面合金浓度，因而可以节约贵重金属[1]。 2.离子注入特点 与通常的冶金方法不同，离子注入是用高能量的离子注入来获得表面合金层的，因而有其特点: (1)离子注入是一个非热平衡过程，注入离子的能量很高，可以高出热平衡能量的2-3个数量级。因此，原则上周期表中的任何元素都可以注入任何基体材料。 (2)注入元素的种类，能量，剂量均可选择，用这种方法形成的表面合金，不受扩散和溶解度的经典热力学参数的限制，即可得到用其他方法难以获得的新合金相。 (3)离子注入层相对基体材料没有明显的界面，因此表面不存在粘附破裂或
质谱仪的种类
质谱仪的种类 一、质谱仪种类非常多，工作原理和应用范围也有很大的不同。从应用角度，质谱仪可以分为下面几类： 1、有机质谱仪 由于应用特点不同又分为： ①气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）在这类仪器中，由于质谱仪工作原理不同，又有气相色谱-四极质谱仪，气相色谱-飞行时间质谱仪，气相色谱-离子阱质谱仪等。 ②液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）同样，有液相色谱-四器极质谱仪，液相色谱-离子阱质谱仪，液相色谱-飞行时间质谱仪，以及各种各样的液相色谱-质谱-质谱联用仪。 ③其他有机质谱仪，主要有：基质辅助激光解吸飞行时间质谱（MALDI-TOFMS），富立叶变换质谱仪（FT-MS） 2、无机质谱仪 包括：
①火花源双聚焦质谱仪。 ②感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。 ③二次离子质谱仪（SIMS） 除上述分类外，还可以从质谱仪所用的质量分析器的不同，把质谱仪分为双聚焦质谱仪、四极杆质谱仪、飞行时间质谱仪、离子阱质谱仪、傅立叶变换质谱仪等。 二、质谱仪中离子源的分类 质谱分析是一种丈量离子荷质比（电荷-质量比）的分析方法，其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，天生不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进进质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。 离子源的性能决定了离子化效率，很大程度上决定了质谱仪的灵敏度。常见的离子化方式有两种：一种是样品在离子源中以气体的形式被离子化，另一种为从固体表面或溶液中溅射出带电离子。
1.电感耦合等离子体离子化（ICP） 等离子体是由自由电子、离子和中性原子或分子组成，总体上成电中性的气体，其内部温度高达几千至一万度。样品由载气携带从等离子体焰炬中心穿过，迅速被蒸发电离并通过离子引出接口导进到质量分析器。样品在极高温度下完全蒸发和解离，电离的百分比高，因此几乎对所有元素均有较高的检测灵敏度。由于该条件下化合物分子结构已经被破坏，所以ICP仅适用于元素分析。 2.大气压电离源（API） API是液相色谱/质谱联用仪最常用的离子化方式。常见的大气压电离源有三种：大气压电喷雾（APESI），大气压化学电离（APCI）和大气压光电离（APPI）。电喷雾离子化是从往除溶剂后的带电液滴形成离子的过程，适用于轻易在溶液中形成离子的样品或极性化合物。因具有多电荷能力，所以其分析的分子量范围很大，既可用于小分子分析，又可用于多肽、蛋白质和寡聚核苷酸分析。APCI是在大气压下利用电晕放电来负气相样品和活动相电离的一种离子化技术，要求样品有一定的挥发性，适用于非极性或低、中等极性的化合物。由于极少形成多电荷离子，分析的分子量范围受到质量分析器质量范围的限制。APPI是用紫外灯取代APCI的电晕放电，利用光化作用将气相中的样品电离的离子化技术，适用于非极性化合物。由于大气压电离源是独立于高真空状态的质量分析器之外的，故不同大气压电离源之间的切换非常方便。
离子液体概述及其应用要点
离子液体概述及其应用 前言：离子液体是仅由阴阳两种离子组成的有机液体，也称之为低温下的熔盐。离子液体具有低蒸汽压，良好的离子导电导热性，液体状态温度范围广和可设计性等优点。离子液体所具备的这些其他液体无法比拟的性质，给大部分传统化工反应提供了新的思路，特别是在绿色化学设计中的应用。本文首先阐述了离子液体的基础知识，而后着重讨论了离子液体在催化及有机合成领域，摩擦领域，生物医药领域中的应用。 主题： 一 离子液体概述 1.1离子液体的发展及性质 20世纪时“离子液体”（IL ）仅仅是表示熔融盐或溶盐的一个术语，比如高温盐。现在，术语IL 大部分广泛的用在表示在液态或接近室温条件下存在的熔盐。早在1914年，Walden [1]合成出乙基硝酸铵，熔点为12℃，但当时这一发现并未引起关注。20世纪40年代，Hurley 等人报道了第一个氯铝酸盐离子液体系AlCl3-[EPy]Br 。此后对这一氯铝酸盐离子液体系进行了不断的扩充，包括各种基团修饰，如N-烷基吡啶，1,3-二烷基咪唑等，另外研究了此类离子液体系在电化学，有机合成以及催化领域的应用并有很好的效果[2]。但是由于此类离子液体共同的缺点就是遇水反应生成腐蚀性的HCl ，对水和空气敏感，从而限制了他们的应用。所以直到1992年，Wilkes [3]领导的小组合成了一系列由咪唑阳离子与-4BF ，-6PF 阴离子构成的对水和空气
都很稳定的离子液体。此后在全世界范围内形成了研究离子液体的热潮。这是由于ILs 存在很多优异而特殊的性质。（1）液体状态温度范围广，300℃；（2）蒸汽压低，不易挥发；（3）对有机物，无机物都有很好的溶解性，是许多化学反应能够在均相中完成；（4）密度大，与许多溶剂不溶，当用另一溶剂萃取产物时，通过重力作用，可实现溶剂与产物的分离；（5）较大的可调控性；（6）作为电解质具有较大的电化学窗口，良好的导电性，热稳定性。这些特殊的物理化学性质可以产生许多新应用，同时也会提高现有的科技水平。到目前为止，已经合成并报道了大量的ILs ，图1显示了典型的阳离子结构，阴离子结构和侧基链[4]。我们可以通过选择合适的离子组成从而实现ILs 物理化学性质的设计。比如说咪唑阳离子（1-丁基-3-甲基咪唑阳离子）和-4BF 或-4AlCl 组合，生成的离子液体是亲水性的，而同样的阳离子和 -6PF 或-2NTf 产生的是强憎水性的离子液体。 目前研究较多的是咪唑阳离子和吡啶阳离子与含氟阴离子构成的离子液体。
离子源的功能和分类
离子源的功能和原理 3、离子辅助镀膜的薄膜特性： 1、镀层与工件表面同时存在物理气相沉积及化学反应，故镀层结合力高。 2、膜层均匀致密、韧性好； 3、光谱特性稳定，温漂小 4、吸水性减少 5、折射率升高 6、粗糙度降低 7、激光阈值降低 8、膜层发雾，光散射增加 4、离子源参数、性能比较
离子源简介－考夫曼离子源 阴极钨丝加热发射热电子；电子与气体原子或分子碰撞； 气体电离在放电室形成等离子体； 多孔栅极产生加速电场； 离子被加速电场引出、加速、获得能量；中和钨丝产生电子； 磁场对电子运动进行约束，增加离化率； 中和电子对引出离子中和形成等离子体。 考夫曼离子源工作原理 （Kaufman Ion Source） 离子源简介－考夫曼离子源 优点： 栅极加速能量大 离子可聚束能量调节范围宽结构较为简单 缺点： ×离子源结构仍复杂×馈入氧、氮等反应气体阴极中毒 ×更换阴极灯丝困难×不属主流，较少采用 离子源简介－射频离子源射频离子源工作原理 射频放电将气体电离 在放电室形成等离子体 多孔栅极产生加速电场；中和钨丝产生电子； 离子被加速电场引出、加速、获得能量； 中和电子对引出离子中和形成等离子体。离子源简介－射频离子源
特点 优点： 栅极加速能量大 离子可聚束能量调节范围宽适用反应气体离子束辅助主流 缺点： ×结构复杂，稳定性差×价格昂贵×栅极需经常维护×辐照均匀区较小离子源简介－霍耳离子源 阴极钨丝发射热电子向阳极迁移电子与气体原子碰撞使其离化磁场中电子形成霍耳电流产生电场 离子被霍耳电场加速引出、加速 阴极热电子对引出离子中和形成等离子体。 霍耳离子源工作原理 （Hall Ion Source） 离子源简介－霍耳离子源特点 优点： PowerIon-C-10A 典型参数 离子束流：5 A 离子能量：20-50 eV 无栅极、结构简单、维护简单 适用反应气体离子束辅助主流产品离子束流大易于控制等离子体中性以低能大束流工作 缺点：
离子液体(综述)
离子液体的现状、应用及其前景 姓名：丁文章专业：轻工技术与工程学号：6140206024摘要：离子液体因为具有如蒸汽压低,电化学窗口宽,物质溶解性好,稳定诸多优点而被极多的化学工作者关注.本文就离子液里的研究进展.离子液体的类型及应用,离子液体的毒性等几个方面做出详细的阐述,并对离子液体的前景做出了初步的预测. 关键词：离子液体;离子液体的类型;应用;毒性; Abstract：Ionic liquid has the following advantages, wide electrochemical window, steam down material good solubility ,This paper is about of the research progress in the ionic liquid, the types and application of ionic liquids and the toxicity of ionic liquid, and made a preliminary forecast to the prospect of the ionic liquid. Keyword：Ionic liquid；the types of Ionic liquid; application of ionic liquids; toxicity of ionic liquid; 1引言 离子液体[1]是指全部由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的液体,如高温下的KCI,KOH呈液体状态,此时它们就是离子液体,在室温或室温附近温度下呈液态的由离子构成的物质,称为室温离子液体. 离子液体的历史可以追溯到1914年,当时Walden报道了(EtNH2)+HNO3-的合成(熔点12℃) .这种物质由浓硝酸和乙胺反应制得,但是,由于其在空气中很不稳定而极易发生爆炸,它的发现在当时并没有引起人们的兴趣,这是最早的离子液体.1951年F.H.Hurley和T.P. Wiler首次合成了在环境温度下是液体状态的离子液体.他们选择的阳离子是N-乙基吡啶,合成出的离子液体是溴化正乙基吡啶和氯化铝的混合物(氯化铝和溴化乙基吡啶摩尔比为1:2) .但这种离子液体的液体温度范围还是相对比较狭窄的,而且,氯化铝离子液体遇水会放出氯化氢,对皮肤有刺激作用.直到1976年,美国Colorado州立大学的Robert利用AICl3/[N-EtPy]Cl作电解液,进行有机电化学研究时,发现这种室温离子液体是很好的电解液,能和有机物混溶,不含质子,电化学窗口较宽.1992年Wilkes以1-甲基-3-乙基咪唑为阳离子合成出氯化1-甲基-3-乙基咪唑,在摩尔分数为50%的AICl3存在下,其熔点达到了8℃.在这以后,离子液体的应用研究才真正得到广泛的开展. 与传统的有机溶剂相比,离子液体具有如下特点［2］：(1) 液体状态温度范围宽,从低于或接近室温到300℃, 且具有良好的物理和化学稳定性；(2)无色、无臭, 不挥发, 几乎没有蒸气压.(3) 蒸汽压低,不易挥发,消除了VOC(Volatile Organic Compounds)环境污染问题；(4) 对大量的无机和有机物质都表现出良好的溶解能力, 且具有溶剂和催化剂的双重功能,可作为许多化学反应溶剂或催化活性载体；(5) 具有较大的极性可调控性, 粘度低, 密度大, 可以形成二相或多相体系, 适合作分离溶剂或构成反应
离子液体及其在化学中的应用
离子液体及其在化学中的应用 随着科技发展和环保意识的增强,清洁、低耗、高效的化学化工反应是发展的必然趋势.由于绝大多数化学反应需要在溶剂中进行,而有机溶剂的用量大、挥发性强是造成化学化工污染的主要原因之一.寻找对环境友好、有利于反应控制的介质和溶剂是目前化学化工需要解决的迫切问题之一.室温离子液体适应这种需要,正在快速为是继超临界CO2之后的新一代绿色溶剂。 一离子液体及其特点 离子液体[1]是指在室温或接近室温呈液态的离子型化合物,也称为低温熔融盐.常见的阳离子有季铵、季、咪唑盐和吡作为离子化合物,离子液体熔点较低的主要原因是:结构的不对称性使离子难以规则紧密地堆积,难以形成晶体或固体. 与传统的溶剂相比,离子液体具有以下3个显著的特性: 1 在室温下,离子液体蒸汽压几乎为零,并且不燃烧、不爆炸、毒性低,溶解性能强,可以较好地溶解多数有机物、无机物和金属配合物.多数离子液体在300e仍能保持液态,因而离子液体液态温度范围大,既可室温使用,也可以高温使用.离子液体作为溶剂,不仅不会造成溶剂损耗和环境污染,而且使用温度范围大,适用范围广.
2) 离子液体具有良好的导电性和较宽的电化学稳定电位窗.离子液体的电化学稳定电位窗比传统溶剂大得多,多数为4V左右,而水在酸性条件下为1.3V,在碱性条件下只有0.4V.因此使离子液体在电化学研究中有着广泛的用途. 3) 离子液体具有可调节的酸碱性,作为反应介质使用极为方便.例如,将Lewis酸AlCl3加入到离子液体氯化1-丁基-3-甲基咪唑中,当AlCl3的摩尔分数x<0.5时,体系呈碱性;当x=0.5时,呈体系呈中性;当x>0.5时,体系表现强酸性[4].同时,还发现离子液体存在/潜酸性0和/超酸性0.例如,把弱碱吡咯或N,N)二甲基苯胺加到中性的离子液体1-丁基 -甲基咪唑四氯铝酸盐中,体系表现出很强的潜酸性[5],如果把无机酸溶于上述离子液体中可观察到超强酸性[6]. 二离子液体在化学中的应用 由于离子液体所具有的独特性能,目前它被广泛应用于化学研究的各个领域中 .1 用作反应溶剂 2.1.1 氢化反应离子液体作为氢化反应的溶剂已有大量的报道[7~9],对于氢化反应,用离子液体替代普通溶剂的优点是:反应速率提高数倍,离子液体和催化剂的混合液可以重复利用.研究表明,离子液体在氢化反应中发挥了溶剂和催化剂的双重
锂离子电池技术发展现状与趋势
锂离子电池技术发展现状与 趋势
一、文献综述 1、前言 现阶段，日本、韩国、美国等国家引领锂离子动力电池技术的发展。日本的行业技术水平具有领先优势，韩国的动力电池制造能力处于领先地位，美国则具有引领前沿的科研能力。 2、国外发展现状 2·1日本 2·11 2009年，日本政府推出了RISING计划(创新型蓄电池尖端科学基础研究事业)和U～EAD项目(汽车用下一代高性能电池系统)，并于2013年更新了动力电池技术发展路线图(RM2013)，具体指标有2020年电池的续航里程实现250～350km·电池系统总电量达到25～35kW·h，电池能量密度实现250Wh· kg-1，功率密变达到1500W·kg-1，循环寿命达到1000-1500次，价格成本降低到2万日元/W·h。RM2013指明了电极材料的发展方向，正极材料要发展xLiMn03·(1～x)LiMO2(M=Ni，Co，Mn，0≤x≤1)、LizMSi0s、LiNiosMn1s04、LiCnP04、Li2MSO·F、LiMO2(M=Ni，Co，Mn)；负极材料要发展Sn～CoC合金，Si基负极包括Si/C和Si0，以及Si基合金。 2·12日本具有代表性的锂离子动力电池企业为松下电池公司。松下是动力电池行业的领导者，作为Tesla最主要的动力电池供应商，凭借Tesla的发展稳居市场领导者地位，全球市场份额在20%左右。目前松下电池主要给ModelS和MndelX提供18650圆柱电池，正极采用镍钴铝三元材料(NCA)，负极使用硅碳复合材料，单体能量密度可达252Wh·kg-1，而即将使用在Mode13上的21700圆柱形电池单体能量密度更是提高到300Wh·kg-1·是目前行业内能量密度最高的电池。 2·2韩国 2·21 2011年，韩国启动了包含锂离子电池关键材料、应用技术研究、评价及测试基础设施以及下一代电池研究的二次电池技术研发项目。LG化学和三星SDI是具有代表性的韩国锂离子动力电池企业，也是动力电池领域的后起之秀，两者凭借先
离子液体的发展与应用
绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学。绿色化学即用化学的技术和方法去减少或停止那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等的使用与产生，使污染消除在生产的源头，并使整个合成过程和生产过程对环境友好。绿色化学是当今国际化学科学研究的前沿学科之一，是一门具有明确社会需求和科学目标的新型交叉学科。由于绿色化学化工所追求的目标是淘汰有毒原材料，探求新的合成路线，采用无污染的反应途径和工艺，能最大限度地减少“三废”，并实行“原材料筛选－产品生成－产品使用循环再利用”全过程控制；绿色化学技术的发展和应用不但能提高生产效率和优化产品，而且能同时提高资源和能源的利用率，减轻污染负荷，改善环境质量，从而大幅度地提高生产过程中的社会和经济效益，成为实现经济和社会可持续发展的途径之一。因此，绿色化学与技术的推广应用必然带来一场新的产业革命。这个绿色浪潮将使环境变得经济性，而不再仅是使经济性成为技术创新的主要推动力。 美国科学家、绿色化学的倡导者阿纳斯塔斯（Anastas P.T.）和韦纳（Waner J.C.）提出绿色化学的12条原则，这些原则在许多论述中被多次引用，其内容：（1）防止废物的生成比在其生成后处理更好；（2）设计的合成方法应使生产过程中所采用的原料最大量地进入产品之中；（3）设计合成方法时，只要可能，不论原料、中间产物和最终产品，均应对人体健康和环境无毒、无害；（4）设计的化学产品应在保持原有功效的同时，尽量无毒或毒性很小；（5）应尽可能避免使用溶剂、分离试剂等助剂，如不可避免，也要选用无毒无害的助剂；（6）合成方法必须考虑反应过程中能耗对成本与环境的影响，应设法降低能耗，最好采用在常温常压下的合成方法；（7）在技术可行和经济合理的前提下，采用可再生资源代替消耗性资源；（8）在可能的条件下，尽量不产生衍生物；（9）合成方法中采用高选择性的催化剂比使用化学计量助剂更优越；（10）化工产品要设计成在终结其使用功能后，不会永存于环境中，要能分解成可降解的无害物质；（11）进一步发展分析方法，对危险物质在生成前实行在线监测和控制；（12）一个化学过程中使用的物质或物质的形态，应考虑尽量减小实验事故的潜在危险，如气体释放，爆炸和着火等[1]。 绿色化学发展至今已经取得了很大的进展，笔者主要通过对离子液体的讨论来对绿色化学的进展进行综述。 1离子液体的发展 离子液体是由特定阳离子和阴离子构成的在室温或近于室温下呈液态的物质，其主要的特点是：几乎没有蒸气压，不挥发，无色，无嗅；具有较大的稳定温度范围，较好的化学稳定性及较宽的电化学稳定电位窗口；通过阴阳离子的设计可调节其对无机物、水、有机物及聚合物的溶解性，且其酸度可调至超强酸。离子液体良好的环境友好性和可设计性，使得其作为新型的反应介质正在成为研究热点[2～3]。与传统溶剂相比，用离子液体作有机化学反应的介质，可获得更高的选择性和更快的反应速率，同时还具有反应条件温和、环境友好的特点[4～6]。多种重要的有机合成反应，如加成反应、聚合反应、氧化还原反应、烷基化反应、酰基化反应、酯化反应等均可在离子液体介质中进行，避免了其它有毒溶剂及催化剂的使用。反应中离子液体可循环使用，且效率无明显下降。因此，离子液体越来越受到大家的重视，2007年发表和待发表的各研究小组以总结自己离子液体工作为主的评述就有10余篇[7～18]，说明大家都在思考离子液体的明天。 1.1离子液体改变了载体模板的概念 以离子液体为“载体”实现多相催化剂的液相化近年来受到高度重视，热点之一就是担载金属催化剂向可溶性纳米粒子催化剂方向的发展。此前很多 离子液体的发展与应用 李长途 （吉林石化公司海特化工厂吉林132000）
离子注入金属表面改性技术
摘要本文综述了金属表面改性离子注入法的机理、特点和应用。并介绍了等离子体浸没式离子注入（PIII）方法，及其相对于传统方法的特点。 Abstract Mechanism, characteristics and application of ion implantation for surface modification of metals are reviewed in this paper. Besides, a promising ion implantation technique—plasma immersion ion implantation(PIII)—is introduced. Especially, its advantages, relative to conventional techniques, are discussed. 关键词金属表面改性离子注入等离子体浸没式离子注入 Keywords surface modification of metal, plasma immersion ion implantation(PIII), ion implantation 前言 金属材料的表面性能在生产中起到至关重要的作用，特别是有的工作环境要求材料高负荷、高转速、高寿命、耐高温、低损耗。离子注入技术应运而生。近几十年来，离子注入在金属和半导体材料的研究、应用发展迅速，并在向绝缘材料和聚合物领域扩展。注人原子原则上可以是元素周期表中的任何元素；被注人基体原则上可以是任何材料；离子注人将引起金属表层的成分和结构的变化以及原子环境和电子组态等微观状态的扰动，因此导致金属各种物理、化学、机械性能的变化。得到理想的材料表面性能。 离子注入金属表面改性的机理 高速离子注入金属后，与金属中的原子、电子发生碰撞。如果晶格原子从碰撞中获得足够的能量，则被撞击原子将越过势垒而离开晶格位置进入原子间隙成为间隙原子；如果反冲原子获得的反冲能量远远超过移位阀功，它会继续与晶格原子碰撞，产生新的反冲原子，发生“级联碰撞”。在级联碰撞中，金属原来的晶格位置上会出现许多“空位”，形成辐射损伤；离子注入金属表面后，有助于析出金属化合物和合金相、形成离散强化相、位错网；灵活地引入各种强化因子，即掺杂强化和固溶强化。 离子注入技术的特点 离子注入技术主要有以下几个特点： 1)进入金属晶格的离子浓度不受热力学平衡条件的限制； 2)注入是无热过程，可在室温或地温下进行；不引起金属热变形； 3)注入离子在基体中与基体原子混合，没有明显的界面，注入层不会像镀 层或涂层那样发生脱落现象； 4)可以进行新材料的开发；注入离子在基体中进行原子级混合，可以形成 固溶体、化合物或新型合金。
离子源
目前，气相质谱和液相质谱的联用已经越来越普及。作为质谱仪中的一个重要组成部分—离子源有哪些种类以及各自不同的用途呢？ 首先对于气相质谱（GS/MS）来说，主要有电子轰击电离源（EI）、化学电离源（CI）和场致电离源（FI）及场解吸电离源（FD）。EI是利用一定能量的电子与气相中的样品分子相互作用（轰击），使分子失去电子，电离成离子。当分子离子具有的剩余能量大于其某些化学键的键能时，分子离子便发生碎裂，生成碎片离子。其优点在于它是非选择性电离，只要样品能气化都能够离子化，且离子化效率高、灵敏度高；能够提供丰富飞结构信息，是化合物的指纹谱；有庞大的标准谱库供检索。其缺点在于不适用于难挥发、热不稳定的样品，而且只能检测正离子，不检测负离子。CI是指引入一定的反应气进入离子化室，反应气在具有一定能量的电子流的作用下电离或裂解，生成的离子和反应气分子进一步反应或和样品分子发生离子分子反应，通过质子交换使样品分子电离。其优点在于可以通过控制反应，根据离子亲和力和电负性选择不用的反应试剂，用于不同化合物的选择性检测。其缺点在于也不适用于难挥发和热不稳定样品，谱图重复性不如EI图谱，而且反应试剂容易形成较高的本底，影响检测限。FI和FD是一种软电离方式，由一个电极和一组聚焦透镜组成，形成高达几千伏的强电场，使气态分子的电子被拉出而电离。其优点在于几乎没有碎片离子，没有本底，图谱很干净。缺点在于仅适用于扇形磁场质谱和飞行时间质谱仪，我们常见的四级杆质谱和离子肼质谱都不能配置FI和FD源，而且高压容易产生放电效应，操作也更难一些。EI源是我们最常见的气质离子源。
对于液相质谱（LC/MS）来说，主要有大气压离子源（API）、快原子轰击源（FAB）和基质辅助激光解析电离源（MALDI）三种电离方式。API主要给出分子量信息，一定条件下可以提供有限的信息结构，它又包括电喷雾电离（ESI）和大气压化学电离（APCI）。ESI是指样品溶液从毛细管流出时，在电场及辅助气流的作用下喷成雾状的带电液滴，液滴中溶剂被蒸发，使液滴直径变小，发生“库伦爆炸”，把液滴炸碎，此过程不断重复，形成样品离子。其优点在于能够给出分子量信息，适合于离子型和极性分析物，灵敏度高，高分子量测定，适合毛细管高效液相色谱，缺点在于对液相的流速有一定的限制，在高盐浓度下对离子有抑制。APCI是指样品被迫通过一根窄的管路喷雾针，使其得到较高的线速度，并且给喷雾针高温加热及雾化气，使液流在脱离管路的时候快速蒸发成液体，然后再大气压条件下利用尖端高压放电而使分析物发生气相化学电离。其优点在于使用方便，耐用性好，灵敏度高，可以匹配高流速，适合于非极性至弱极性样品，小分子样品以及抗菌素和碱性药物等。其缺点在于有可能发生热裂解，有低质量端的化学噪声大，有限的结构信息。因此ESI和APCI是互补的。FAB离子化能力强，适用于强极性、挥发性低、热稳定性差和相对分子质量大的样品，对非极性样品灵敏度下降、低质量区以下产生较多干扰峰。MALDI的准分子离子峰很强，几乎没有碎片离子，可以直接分析蛋白质酶解后多肽混合物，对样品中杂质的耐受量较大，适用于多肽、蛋白质、糖蛋白、DNA片段、多糖及其他生物技术产品的分析。API源是我们最常用的液质离子源。 ELEMENT GD双聚焦辉光放电质谱仪
锂电池现状及发展趋势
锂电池现状及发展趋势 摘要：作为一种高效、可循环使用的能量转换与储存方式的锂电池，它已成为未来一系列高技术发展中的重大需求，锂电池的发展同时也关乎到我国的环保与资源利用问题，本文分析的是锂电池的现状及发展趋势。 关键词：锂电池；现状；趋势；环保 “锂电池”，是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。随着科学技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。 1.锂电池概述 锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。锂离子电池目前有液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)两类。其中，液态锂离子电池是一种二次电池，它被嵌入化合物为正、负极。正极采用锂化合物-钴酸锂、锰酸锂，负极采用锂-碳层间化合物。锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长等方面的优点，使得它成为世界能源发展中的理想能源载体。这就是锂电池的主要分类情况。 那么说到锂电池的结构类型，锂电池一般呈现为圆柱或方型，电池内部采用螺旋绕制结构，用一聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成，这种材料有着很强的渗透性。电池内充有有机电解质溶液，里面还装有安全阀和PTC元件，为的是在电池不正常状态时候能够很好的保护电池。 锂电池的能量比较高。具有高储存能量密度，是铅酸电池的约6-7倍；并且使用寿命长，可达到6年以上，同时高功率承受力，使得其能够很好的被运用在电动汽车中，达到一定电力后，能够使得启动加速。还有一个特点就是重量轻，而且绿色环保，里面也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。2.锂电池现状 锂电池最早期应用在心脏起搏器中，由于锂电池的自放电率极低，放电电压平缓等优点，它植入人体后，起搏器能够长期运作而不用重新充电。1992年
离子液体的功能化及其应用
中国科学 B 辑 化学 2006, 36 (3): 181~196 181 离子液体的功能化及其应用 李雪辉① 赵东滨 ②③* 费兆福② * 王乐夫① (①华南理工大学化学工程系 广东省绿色化学产品技术重点实验室, 广州 510640; ②Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne, EPFL, CH-1015 Lausanne, Switzerland; ③北京大学化学与分子工程学院, 北京 100871) 摘要 综述了近年来功能化离子液体的设计开发以及在多领域内的应用, 其中包括“双功能化“离子液体的设计和制备. 离子液体—— 以绿色介质出现的新材料, 其应用研究的潮流和趋势, 随着功能化研究的发展, 将超越绿色化学的领域, 为其在众多领域的应用开拓出更广阔的前景. 关键词 离子液体 功能化离子液体 双功能化离子液体 反应介质 不对称合成 纳米材料 多孔材料 润滑剂 烟道气脱硫 油品脱硫 收稿日期: 2005-07-27; 接受日期: 2005-11-27 *联系人, E-mail: dongbin.zhao@epfl.ch , zhaofu.fei@epfl.ch 1 引言 20世纪90年代后期兴起的绿色化学, 是从源头清除污染的一项措施, 它为人类解决化学工业对环境的污染, 实现经济和社会可持续发展提供了有效的手段[1]. 目前在化学工业中大量使用的有毒、易挥发的有机溶剂由始至终都违背着绿色化学的理念. 在寻找有机溶剂的替代品时, 人们发现离子液体具有高热稳定性、可忽略的蒸气压、宽的液态温度区间、可调控的对极性及非极性物质的良好溶解性[2], 它能够替代传统有机溶剂介质进行化学反应(特别是催化反应), 从而实现反应过程的绿色化, 因此离子液体的研究得到了迅猛的发展[3~14]. 咪唑类离子液体与过渡金属催化剂形成卡宾配合物[15,16], 以及离子液体稳定纳米粒子的实验证据[17], 为解释离子液体体现出和传统溶剂不同的特性提供了理论依据. 离子液 体的物理化学性质研究可为这些理论探讨提供基础数据, 目前已经成为离子液体研究领域的另一热点[18]. 现今越来越多的离子液体被商业化, 不断有新型离子液体诞生, 并在催化科学、材料科学、分离技术等领域里得到应用[19]. 按统计学推测, 根据阴阳离子的不同组合, 离子液体的种类可达到1018, 而目前有机溶剂却只有300~400种, 离子液体家族成员如此庞大的数量, 暗示着其开发应用的广阔前景. 以往大部分的离子液体研究集中在以咪唑为阳离子骨架, 带有饱和烷烃的离子液体上. 然而, 由于离子液体的诸多性质, 如熔点、黏度、密度以及溶解能力都能通过改变离子液体的结构而得到调整; 因此, 理论上我们可以通过这种做法来优化特定的反应. 寇元率先提出将离子液体功能化的思路: 将功能团引入到离子液体的阳离子或阴离子上, 这些功能团赋予了离子液体专一的特性而与溶解于其中的溶
离子注入技术的发展和在材料方面的应用
离子注入技术的发展 及其在材料方面的应用
摘要 离子注入是一项新兴的材料表面改性技术。它可以使材料表面的机械、物理、化学、电学等性能发生变化。有效地提高材料表面的硬度以及耐磨擦、耐磨损、抗腐蚀、抗疲劳等能力，延长材料使用寿命，增加经济收益。本文介绍了离子注入的基本原理以及技术特点，描述了离子注入在金属材料表面改性、半导体材料以及超导方面的技术应用，并展望了离子注入的应用前景。 关键词：离子注入；材料；表面改性；半导体；超导
一、绪论 离子注入技术于七十年代初首先成功地应用于半导体工业，成为制备大规模集成电路必不可少的手段之一。八十年代起人们把离子注入技术开始用于金属材料的表面改性。由于该项技术本身的独特优点、良好的改性效果以及潜在的巨大经济效益，近年来吸引了愈来愈多的研究者开始从事该项技术的开发研究。日前，随着应用围的日益扩大和理论研究的不断深入，离子注入技术日趋成熟。 近年来离子注入的方式也更加多样化，除了常规离子注入外，由此派生出的其它注入方法有：反冲注入、动态反冲注入、离子束混合等。注入方式的多样化完善了注入实验手段，使人们对各种具体情况可以选择恰当的注入方式，以满足不同的要求。 在实际应用中，很多方面都需要固体材料有较好的表面性能，如耐腐蚀性，抗磨损性，较高的硬度和抗氧化性等，而这些性能都直接与固体材料表面成分，结构组态，化台物相等有关，离于注入技术是最重要的手段之一。 离子注入技术应用于金属材料的改性，从碳素工具钢、硬质合金刚到人造或天然金刚石制造的量具、刃具、刀具、模具和工件等，通过表面改性，可提高使用寿命。经离子注入后，材料(或工件)韵表面硬度、耐磨损性能、抗腐蚀能力及使用寿命等，一般可提高几倍到十几倍。目前，离子注入已经发展成为一门核技术与金属学之间新兴的边缘学科——“离子注入冶金学” (Ion Implantation Metallurgy)。各发达国家都十分关注这门学科的发展和应用。 二、关于离子注入的简单介绍 （一）离子注入的定义 离子注入是利用某些杂质原子经离化后形成带电杂质离子，离子经过一定的电场加速，直接轰击靶材料实现掺杂或其他作用。一般的说,离子能量在1－5KeV 的称为离子镀；0.1-50KeV称作离子溅射；一般称10－几百KeV的称为离子注入。注入到材料中的离子具有很高的能量，足以使注入层的化学组分和原子结构发生变化，这样使得材料表面的机械、物理、化学、电学等性能也随之改变．从而达到材料表面改性的目的。 简单地说，离子注入的过程，就是在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在所选择的（即被注入的）区域形成一
离子源与质谱仪作用机理
离子源与质谱仪作用机理 质谱离子源及质量分析器的种类及作 用机理 课程名称掺伪掺杂食品鉴别与检验技术 学院专业姓名学号指导老师 二〇一四年七月 质谱离子源及质量分析器的种类及作用机理 质谱分析是一种测量离子荷质比（电荷-质量比）的分析方法，可用来分析同位素成分、有机物构造及元素成分等。其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。在众多的分析测试方法中，质谱学方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。与色谱分析技术同为现代掺伪掺杂技术的支撑，色谱是一种分离的手段，而质谱是一种鉴定手段，检验过程中通常采用质谱联用技术。质谱仪器一般由样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器、数据处理系统等部分组成。 质谱分析作为一种新型的现代仪器分析手段，因其高灵敏性、高准确性、高选择性、分析检测范围宽以及其定性、定量方面的强大功能等特点，在食品添加剂、激素、抗生素，农兽药残留等食品分析检测领域得到了广泛的应用。下面主要介绍几种主要：质谱离子源及质量分析器的种类及作
用机理。 1 离子源类型——“接口”技术 离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。它是各种类型的质谱仪不可缺少的部件。离子源的性能决定了离子化效率，很大程度上决定了质谱仪的灵敏度。常见的离子化方式有两种：一种是样品在离子源中以气体的形式被离子化，另一种为从固体表面或溶液中溅射出带电离子。在很多情况下进样和离子化同时进行。常用的离子源有以下几种。 1.1快原子轰击源(Fast Atomic bombardment，FAB) FAB是一种常用的离子源，由Barber研究小组于1981年研发成功并使用，适合于分析离子化能力强，极性强，分子量大、难气化、热稳定性差的样品，例如肽类、低聚糖、天然抗生素、有机金属络合物等，但对非极性样品灵敏度下降、低质量区以下产生较多干扰峰。FAB得到的质谱不仅有较强的准分子离子峰，而且有较丰富的结构信息。但是，它的分子量信息不是分子离子峰M，而往往是(M+H)+或(M+Na)+等准分子离子峰。FAB 主要用于磁式双聚焦质谱仪。 1.2电喷雾电离源(Electrospray ionization，ESI) 样品溶液经色谱柱分离，流经色谱管，到达喷雾针，针上加有3~5kV 的电压，在强电场和雾化气的作用下，溶液迅速雾化产生高电荷液滴，并形成扇状喷雾。在加热辅助气及高温条件下，溶剂迅速蒸发，带电液滴的表面积不断缩小，表面电荷密度逐渐增大。当密度达到“Rayleigh极限”时，带电雾滴中的样品就会由于雾滴发生“库伦爆裂”而分离出来，形成样品离子。带电的碎片离子就在电场的作用下进入质谱的质量分析器进行
锂电池三大技术路线的发展历史回顾
锂电池三大技术路线的发展历史回顾 从当前锂电池正极材料行业的发展趋势来看，正在经历从消费电子的钴酸锂正极材料向动力型锂电池演变的过程中，从材料的角度来看是一条“去钴化”路线图。当前动力型锂电正极材料呈现锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂三大技术路线上演“三国演义”的竞争格局，各自拥有自己的支持企业群落和技术研发生态体系。 锂电池正极材料行业发展概况 2011年锂电池产业延续增长趋势 2011年全球锂电池产业规模维持增长态势。尽管2011年宏观经济下行的大背景下，全球锂电池市场仍旧延续了增长的趋势，根据赛迪顾问的统计数据，2011年全球锂离子电池市场规模达到153亿美元，同比增长29.7%，全球锂离子电池产量达到46.4亿颗，同比增长22.8%，从过去四年的趋势来看，整个锂电池行业2008年后增长趋势较为稳定。 2011年中国锂电池市场规模增速高于全球增速。根据赛迪顾问公司的数据，2011年中国锂电池行业市场规模达到了397亿元人民币，同比增长43%，全年锂电池产量达到29.7亿颗，同比增长28.6%。从过去四年的数据来看，中国锂电池行业增速高于全球约10~13个百分点，呈现出快速增长的势头，与锂电池产能向国内转移的行业背景相符。 锰酸锂和磷酸铁锂材料占比显著提升 从正极材料市场的增速来看，2011年中国锂电池正极材料销量同比增长33%，高于全球29%的行业增速水平。 从正极材料产品结构来看，锰酸锂和磷酸铁锂等动力型正极材料占比显著提升。2008年，国内磷酸铁锂材料销量占比仅为，1.8%，2011年则上升到6.01%的水平。锰酸锂材料占比提升更快，从2008年的6.92%快速提升到2011年12.61%。从整个正极材料产品比例格局来看，锰酸锂和磷酸铁锂等动力型正极材料快速增长正大幅压缩钴酸锂正极材料的市场占比。 技术圈地、应用拉动：正极材料“三国演义”格局 从当前锂电池正极材料行业的发展趋势来看，正在经历从消费电子的钴酸锂正极材料向动力型锂电池演变的过程中，从材料的角度来看是一条“去钴化”路线图。当前动力型锂电正极材料呈现锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂三大技术路线上演“三国演义”的竞争格局，各自拥有自己的支持企业群落和技术研发生态体系。 三大技术路线的发展历史回顾 镍钴锰三元材料——调节材料配比使得应用领域横跨高能量密度型消费锂电和动力锂电。镍钴锰三元材料的发展历程大约经历了三个阶段：
离子液体应用及其发展
离子液体应用及其发展 罗树琴生化系化学教育2001541 摘要：离子液体也称为室温离子液体或低温盐，通常是指熔点低 于100℃的有机盐。由于完全有例子组成，离子液体有许多不同于常规有机溶剂的性质。离子液体在各方面都有广泛应用前景，目前离子液体的制备和研究正在快速的发展，其应用前景也是相当广阔的。 关键字：离子液体应用发展及前景 离子液体也称为试问离子液体或低温盐，通常是指熔点低于100℃的有机盐。由于完全有例子组成，离子液体有许多不同于常规有机溶剂的性质。如熔点低，不挥发，液程范围宽，热稳定性好。溶解能力强，性质可调，不易燃，电化学窗口宽等。与传统的有机溶剂，水，超临界流体等相比，起黏度低，比热容大，有的对水对空气均稳定，故易于处理，制造较为容易，不太昂贵。是理想的绿色高效溶剂，研究其性质极其应用成了一项热门课题， 1.离子液体的性质 离子液体大多呈无色，完全由阴阳离子组成，但样离子较大，且是有机物。离子液体 1有酸碱性(主要由阳离子决定，可通过调节阳离子来改变其酸碱性)， 2亲水性:含C越多亲水性越弱 3热稳定性：较高的稳定性与杂原子氢键，阴阳离子组成相关，其蒸汽压低（可忽略不计），不易挥发，可去取代有机溶剂。 4熔点低：熔点与阴阳离子组成有关，是随阳离子对称性增大而增大的 5溶解性好：可溶解有机物，无机物，聚合物等 6密度：和阴阳离子组成有关，阳离子增多密度变大 7生物降解性：其一降解，相当环保，是绿色的环保剂 8电化学窗口：其可产生5-7V的高电压， 2.离子液体的合成制备 2.1 常规合成法 2.1.1一步法：采用叔胺与卤代烃或脂类物质发生加成反应，或利用叔胺的碱性和酸性发生中和反应而一步生成目标离子液体的方法 2.1.2两步法：两步法的第一步是通过叔胺和卤代烃反应制备出