離子與固體相互作用：基本原理及應用

定　價：￥89.00

作　者：	[美]邁克爾·納斯塔西,[美]詹姆斯·W.邁耶,[美]詹姆斯·K.希爾沃寧著, 王晨旭,王宇鋼
出版社：	北京大學出版社
叢編項：
標　簽：	暫缺

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ISBN：	9787301352359	出版時間：	2024-10-01	包裝：	平裝-膠訂
開本：	16開	頁數(shù)：		字數(shù)：

內(nèi)容簡介

　　離子與固體相互作用涉及到離子與晶格原子的二體碰撞、離子在固體中的能量損傷（包括核能損和電子能損）、射程及其分布、溝道效應、輻照損傷、濺射物理、峰效應等基本概念和基礎知識。它是核技術，特別是離子束應用的理論基礎。目前國內(nèi)外在核技術應用領域幾大研究熱點，如質(zhì)子重離子放療、核能材料與飛行器芯片的輻照損傷、聚焦離子束（FIB）制備納米結(jié)構(gòu)等，其理論基礎均來自離子束與固體的相互作用。國內(nèi)中科院及各大高校的相關學科專業(yè)都在開展這些方面的研究工作并培養(yǎng)這方面的研究生。《離子與固體相互作用——基本原理及應用》分為八章詳細闡述了上述內(nèi)容，此外有五章內(nèi)容以基礎理論為依托，分別講述了五項重要的離子束應用實例，以利于學生不僅能更好地掌握離子與固體相互作用的基本概念和基礎知識，同時也同學們了解離子束廣闊的應用。

作者簡介

　　[美]邁克爾·納斯塔西（Michael Nastasi）【著】【美國】【現(xiàn)當代】————————————————————[美]邁克爾·納斯塔西（Michael Nastasi）畢業(yè)于康奈爾大學，目前擔任得克薩斯農(nóng)工大學核能工程系主任，在材料科學領域做出重大貢獻。曾獲得美國核學會的杰出核材料科學家獎。他的研究重點包括材料的輻射損傷、機械性能和長期穩(wěn)定性，尤其是在離子束材料改性和表征方面具有豐富的經(jīng)驗和成就。[美]詹姆斯·W.邁耶（James W. Mayer）【著】【美國】【現(xiàn)當代】————————————————————[美]詹姆斯·W.邁耶（James W. Mayer），1952年獲得普渡大學物理學博士學位，1997年當選為高爾文科學與工程教授。1981年，他因為在半導體植入領域的研究而獲得了材料研究學會的范希佩爾獎。他專長于半導體材料和離子束相互作用，他的研究工作極大地推動了材料科學，特別是半導體處理技術的發(fā)展。[美]詹姆斯·K.希爾沃寧（James K. Hirvonen）【著】【美國】【現(xiàn)當代】————————————————————詹姆斯·K.希爾沃寧（James K. Hirvonen），工作于美國陸軍研究實驗室。他的研究主要集中在材料的表面和界面特性及其應用，涵蓋了從納米技術到宏觀工程材料的廣泛領域，特別是在極端環(huán)境下材料的性能和穩(wěn)定性研究方面做出了顯著貢獻。他也涉足開發(fā)新的合金和陶瓷材料，用于核能系統(tǒng)和航空領域的應用中。王晨旭【譯】【中國】【現(xiàn)當代】————————————————————王晨旭，北京大學物理學院研究員/助理教授，博士生導師。2016年畢業(yè)于北京大學物理學院。2016至2020年，在美國斯坦福大學從事博士后研究。2020年10月，入職北京大學重離子物理研究所。主要的研究方向包括核能材料的輻照損傷效應；包埋材料的高壓穩(wěn)定性；輻照和高壓等極端條件對材料的改性等。目前已發(fā)表SCI文章50余篇，包括3篇Nature Communications、1篇Applied Physics Reviews、1篇Science Advances、1篇National Science Review、5篇Acta Materialia等。曾獲得美國陶瓷學會ECD全球青年科學家獎、北京大學優(yōu)秀博士論文獎、國際高性能陶瓷大會最佳口頭報告獎等。此外，擔任Nano Letters， Acta Materialia等雜志審稿人。”王宇鋼【譯】【中國】【現(xiàn)當代】————————————————————北京大學物理學院教授，副院長、北京大學學位委員會物理分會主席。

圖書目錄

第1 章基本特征和概念. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 射程分布. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 晶格無序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 原子密度和面密度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 能量和粒子. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.6 玻爾速度和半徑. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
推薦閱讀. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
第2 章原子間勢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 原子之間的相互作用力. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
2.3 原子之間的短程和長程相互作用力. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 原子間勢模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
2.4.1 剛球勢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.2 方阱勢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.3 負冪勢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.4 倫納德?C瓊斯勢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5 固體中的原子間勢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.6 固體的物理性質(zhì). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6.1 結(jié)合能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6.2 彈性模量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6.3 熱力學性質(zhì). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.7 載能離子與原子的碰撞. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
2.8 TF 原子模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.9 TF 方程的解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.10 TF 屏蔽函數(shù)(近似解) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.11 原子間勢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.12 普適原子間勢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
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第3 章兩體彈性碰撞動力學. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 經(jīng)典散射理論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
3.3 彈性碰撞動力學. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4 經(jīng)典兩體散射. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
3.5 有心力作用下的運動. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5.1 角動量守恒. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5.2 有心力作用下的能量守恒. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.5.3 角動量和碰撞參數(shù). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.6 經(jīng)典散射積分. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
3.7 最接近距離. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
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第4 章截面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
4.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 角微分散射截面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3 能量傳遞微分散射截面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
4.4 冪次律勢和沖量近似. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.5 冪次律勢的能量傳遞微分散射截面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.6 約化截面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.7 剛球勢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
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第5 章離子阻止. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2 能損過程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3 核阻止. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4 核阻止: 約化表示. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.5 ZBL 約化核阻止截面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.6 ZBL 散射方程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.7 電子阻止. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.7.1 運動離子的有效電荷. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.7.2 高能電子能損. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.7.3 低能電子能損. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
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第6 章離子射程與射程分布. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
6.1 射程的概念. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2 射程分布. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.3 計算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105
6.3.1 射程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.3.2 射程近似. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.3.3 投影射程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.3.4 投影射程歧離. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.3.5 多原子靶. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.4 溝道. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
6.4.1 一般原則. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.4.2 最大射程Rmax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
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第7 章輻照損傷及峰. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122
7.2 輻照損傷與移位能量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.3 初級移位原子碰撞造成的移位. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127
7.4 PKA 損傷能量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.4.1 諾格特、羅賓森和托倫斯損傷能量模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
7.5 離子輻照損傷. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.5.1 載能離子導致的移位. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.5.2 離子損傷能量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.5.3 沉積能量的空間分布. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.6 損傷產(chǎn)生率. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.7 初級反沖譜. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.8 分數(shù)損傷函數(shù). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.9 多組元材料中的移位損傷. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.9.1 損傷能量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.9.2 移位損傷. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7.10 替位碰撞序列. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.11 峰. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.11.1 平均自由程和移位峰. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.11.2 熱峰. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.11.3 沉積能量密度θD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.11.4 級聯(lián)體積和沉積能量密度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.11.5 沉積能量密度與材料性質(zhì). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
推薦閱讀. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
第8 章離子與固體相互作用模擬和輻照增強擴散. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
8.1 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
8.2 蒙特卡羅模擬. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
8.2.1 蒙特卡羅程序的一個例子, PIPER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
8.2.2 核阻止. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
8.2.3 電子阻止. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
8.2.4 計算過程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
8.2.5 TRIM 程序的一個例子. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
8.3 分子動力學模擬. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
8.4 輻照增強擴散. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
8.4.1 擴散. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
8.4.2 輻照增強擴散. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
8.5 熱峰中的擴散. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
推薦閱讀. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
第9 章濺射. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
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