离子束表面工程，是指在真空中，利用离子束技术改变材料表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，赋予材料或工件表面以特定的性能，使其表面和心部材质有最优组合的系统工程，能最经济有效地提高产品质量和延长使用寿命。

    离子束表面工程技术的分类方法很多，根据处理表面的功能性可分为3类：离子注入、离子束沉积以及注入与沉积的复合处理。离子注入技术包括常规离子注入技术，等离子体源离子注入技术，等离子体基离子混合技术；离子束沉积镀膜技术包括离子镀技术，溅射镀膜技术和离子束辅助沉积技术；离子束复合强化技术包括了蒸镀+离子注入，离子镀+离子注入，渗氮+等离子体源离子注入，离子氮化+离子镀以及离子镀+离子束增强沉积等。

    离子束表面工程技术从开始进入应用研究后，就得到了快速的发展。在过去的几十年中，离子束表面工程技术应用更加广泛。从早期的半导体材料表面掺杂，到金属材料的表面改性与强化。目前离子束表面工程技术已经扩展到陶瓷材料、高分子聚合物材料、生物材料等领域，已呈现出多领域、多功能和多形式的应用局面。如植入体、纳米管和陶瓷、半导体的表面改性，用于极端环境中的传感器，以及制备高效率的热电材料、光电材料，纳米印刷和离子束投影等。

    1、离子束与材料的作用

    离子束可以与所有的材料（如金属、陶瓷、高分子及生物材料等）间发生相互的作用，离子束与材料的相互作用机制十分复杂，涉及到许多物理和化学过程。如因核能量损失和电子能量损失而产生的溅射、背散射、光电子、X射线、二次电子等效应。从材料科学与工程的角度来看，离子束与材料的作用可分为材料的离子束掺杂与离子束合成、离子束界面混合、离子束辅助沉积等。

    （1）离子束掺杂与离子束合成

    离子注入是离子束材料表面改性的主要技术之一，根据注入剂量的大小，又可以分为离子束掺杂和离子束合成。离子束掺杂时注入剂量较小，如单晶硅表面的离子束掺杂，可显著改善其半导体性能，广泛应用半导体材料的表面改性。离子束合成时注入剂量高（超过被注入材料的固溶度），可在材料表面形成新的析出相或亚稳态的化合物。从而提高材料的力学、电学和光学等性能。

    （2）离子束界面混合

    利用离子束可实现薄膜（界面）与基体原子的混合。因离子注入和原子核与界面两种材料原子的强烈冲击碰撞，界面结构将变得杂乱无序，从而有利于提高薄膜与基体的结合力，这对摩擦环境中应用的薄膜制备尤为重要。划痕试验表明，离子束混合可显著提高膜基结合力。离子束界面混合微观机制有反冲注入、级联混合、辐照增强扩散、热峰扩散等。

    （3）离子束辅助沉积

    离子束技术与物理气相沉积（PVD）技术复合，可实现离子束辅助沉积（IBAD）。该复合技术制备的涂层具有密度高，结合力强等特点，还可以制备大厚度的涂层。并可调控涂层的表面形貌、残余应力、成分的化学剂量比。辅助的离子可以是惰性或活性的。可以用来制备光学、电学、耐磨和耐蚀涂层。

    离子束与材料表面除以上主要作用外，还可以使材料表面产生再结晶、非晶化、纳米化、溅射等效应。

    2、离子束表面工程技术的发展

    （1）等离子体浸没离子注入

    常规离子注入在半导体材料掺杂中的应用非常成熟，但将其应用于材料的表面强化和改性时，其致命缺点是注入过程是一个视线性，只有受离子束照射下的工件表面才能被离子注入，对于工件中需要表面改性的内表面、沟槽表面等，离子束则难以达到；注入效率低，设备复杂昂贵。这些缺点大大限制了离子注入的应用范围。等离子体浸没注入（PIII）是近年来兴起的一种新型的材料改性手段，最初由美国威斯康星大学提出，并被称为等离子体源离子注入。

    PIII具有以下优点：克服视线效应，可处理复杂外形结构的器件；离子垂直轰击表面，减少了有害的溅射效应；和其他等离子体工艺（如刻蚀、沉积等）能够兼容，能够在同一系统上集成多个等离子体工艺；能对绝缘材料实施离子注入；注入过程中的大剂量低能离子电流能够满足微电子的工艺要求；不同物件间有相对独立的鞘层，因此可批量处理，提高效率。

    （2）强流脉冲离子束技术（HIPIB）

    强流脉冲离子束（HIPIB）技术是20世纪70年代中期在惯性约束核聚变和高能量密度物理研究的基础上发展起来的高功率脉冲离子束技术。表面改性技术对材料表面性能的改变主要决定于能量密度，升温、降温速度越快效果越显著。HIPIB辐照可在材料表面产生1～100J/CM2的瞬间高密度能量，表面升温速率达108～1011K/S，发生熔化、汽化/烧蚀的同时激发等离子体气团，并对靶材产生冲击波；表面冷却速率达108～109K/S。由此造成材料表面形貌、组织结构以及化学成分的变化，从而导致材料表面各种性能的改变。HIPIB的这些特性使其在材料表面工程领域具有广阔的应用前景，为提升材料的使用效能提供了便捷道路。

    HIPIB具有以下特点：

    - 适用性广泛，即可处理金属、陶瓷，又可以处理涂层。

    - 显著提高材料表面性能。HIPIB显著改变材料表面形貌、成分和相结构，导致性能变化。

    （3）等离子体喷涂物理气相沉积技术

    等离子体喷涂物理气相沉积技术（PS-PVD）是近年来发展起来的基于低压等离子体喷涂原理的热喷涂技术，其特点是在气相中制备涂层。与传统真空等离子体喷涂（VPS）或低压等离子体喷涂（LPPS）相比，该技术的等离子体枪能量高，工作压力相对较低（约0.1KPa），不仅能够通过熔融原料液态急冷的方法制备涂层，而且可通过原材料首先气化继而沉积的方法制备涂层，故而其独特的柱状晶微观组织结构与气相沉积类似。因此，PS-PVD填充了传统PVD技术与热喷涂技术的间隙，兼具了两者的优点。PS-PVD制备涂层拥有独特的微观结构，其性能优于其他热喷涂和电子束物理气相沉积涂层。与EB-PVD相比，PS-PVD将气化的涂层材料加入超音速等离子体流中。由于等离子体喷射的气流作用，可在复杂形状零部件如翼型涡轮叶片上喷涂一层柱状晶隔热涂层。即使是阴影区域或源无法直接照射到的区域也可以均匀喷涂涂层。发明者认为该技术提供了一种制备热障涂层体系的新方法，显然这种方法在其他方面（如抗冲蚀涂层、装备再制造）同样具有广阔的应用前景。其工作原理、参数对组织结构的影响以及性能仍需深入研究。

    （4）电子回旋共振技术（ECR）

    ECR离子源，以其产生的离子种类多、束流强度大、电荷态高、束流品质好、稳定性和重复性高、可长期连续运行等优点，被国际上公认为当前产生强流高电荷态离子束最有效的装置。ECR源的发展为其他学科开辟了诸多新的研究方向，如高离化态原子物理、表面物理、材料科学研究等；除了基础研究外，ECR源还广泛的应用于离子注入、离子束刻蚀、薄膜技术、材料表面改性、辐照育种等领域。

    （5）磁过滤阴极真空弧沉积技术（FCVA）

    利用阴极真空弧放电技术，能够产生高密度的金属等离子体，但同时会存在大颗粒微粒，并一同沉积在薄膜表面，对薄膜的性能带来不利影响。采用磁过滤阴极真空孤沉积技术，经过90°的磁过滤器后，可以除去从弧源引出离子束中的大颗粒微粒。从而为制备高质量、致密的薄膜提供了一种全新的技术。

    （6）离子束纳米结构涂层技术

    离子束沉积涂层的体系主要包括两类，即纳米复合涂层和纳米多层涂层。硬质纳米复合涂层一直是研究的热点和重点。硬质纳米多层涂层按其材料组成分为金属/金属、金属/陶瓷和陶瓷/陶瓷三类，其各调制层的结构可以是单晶、多晶或非晶。其研究重点是材料复合和结构参数对多层膜微观结构演变及力学性能的影响。超硬效应、提高韧性、模版效应等是多层膜关注的方向。晶态过渡族金属氮化物可使其上生长的非晶层晶化，即“模版效应”。为了进一步提高涂层的性能，往往采用离子束与电子束、激光束技术的复合处理。与直接沉积DLC相比，复合处理的工件耐磨损寿命显著提高。复合处理中不同技术间的组合非常灵活，合理的设计组合方式，发掘组合效应，将成为离子束表面工程涂层制备的研究重要方向。

    3、离子束表面工程的应用

    （1）替代传统的电镀技术

    国家可持续发展战略对装备绿色制造提出了更高要求，不断发展的离子束表面工程技术正在替代传统对环境污染严重的电镀技术，在绿色制造和节能降耗中发挥重要作用。离子束沉积铬、氮化钛和氮化钛铝等在装饰工艺中已替代电镀铬得到应用。国内多家单位正在开展离子镀、磁控溅射等离子束表面工程技术在耐磨损领域替代电镀铬的研究。

    （2）航空航天材料的表面改性

    微动磨损是航空航天领域诸多关键零部件急需克服的问题，固体润滑涂层是解决微动损伤的主要防护措施之一。航空航天领域应用的精密零部件尺寸要求高，由于离子束表面工程技术几乎不改变零部件尺寸，制备涂层种类多，工艺灵活，具有突出优势，成为制备固体润滑涂层的主要技术。离子束表面工程技术随着我国空间技术迅速发展，目前已开发出多种适用于空间环境的高性能固体润滑涂层。

    （3）太阳能材料的表面改性

    太阳能光伏发电是解决经济发展与能源瓶颈矛盾的方法之一，在新能源中占有重要地位。传统的太阳能电池主要是以硅材料为主的半导体材料，其工业光电转换效率最高15%。近年来，薄膜太阳能电池技术发展很快，先后出现了非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机小分子和聚合物太阳能电池。

    有机小分子太阳能薄膜电池一般采用蒸镀方法制备；有机聚合物太阳能薄膜电池具有高导电性，易加工，可大面积成膜。有机太阳能薄膜电池光电转换效率低于硅材料太阳能电池，限制了有机太阳能薄膜电池的商业化，因此提高其效率成为目前研究的热点。利用纳米金属颗粒在光照下的表面等离子体共振效应可提高有机太阳能薄膜电池的光吸收效率。如采用蒸镀和磁控溅射制备银纳米晶，利用金属纳米银颗粒产生的表面等离子体增强效应，提高太阳能电池对光的吸收效率和转换效率。

    （4）生物医学材料的表面改性

    随着技术的进步和医学问题的复杂化，目前使用的传统生物材料（如金属、陶瓷、高分子等）逐渐显露出了某些不足，表现在与宿主原有组织结合后，很难做到性能上的完全匹配，不能完全满足临床应用中对耐磨性、耐蚀性、生物相容性的要求等。离子束表面处理技术代价小、耗时少，在制备综合性能良好的生物医用材料方面优势显著。

    4、展望

    离子束表面工程技术由于拥有许多其它技术无法比拟的优点，如处理温度低、环境友好和能以较少的材料获得优异的表面性能等，具有明显的节能、节材、减少污染的效应，在资源能源不足、环境污染日趋严重的今天，离子束表面工程技术的发展将获得新的机遇和生机。因此，不断克服离子束表面技术存在不足，如绕射性差、工艺稳定性不够好、生产效率较低、成本较高等，将大大促进离子束表面工程技术在工业生产中的应用。