各位好，从本期开始，我们开始进入晶圆级碳纳米管的相关测试与应用相关专题第三辑：辐照损伤对晶圆级碳纳米管的影响及其光谱检测方法。

引言

太空和航空航天环境中的高能粒子辐射、高真空和极端温度对材料的性能提出了严峻挑战。晶圆级碳纳米管作为一种新型的纳米材料集成形式，因其优异的机械性能、电学性能和热导率，在太空和航空航天领域具有潜在的应用前景。然而，辐照损伤可能导致晶圆级碳纳米管的性能退化，影响其在极端环境中的可靠性。因此，研究辐照损伤对晶圆级碳纳米管的影响及其检测方法具有重要意义。

辐照损伤对晶圆级碳纳米管的影响

结构损伤

辐照损伤可能导致晶圆级碳纳米管的结构变化，包括晶格畸变、缺陷增加和断裂。这些结构损伤会影响碳纳米管的电子性质和机械性能。

• 晶格畸变：高能粒子辐射可能导致碳纳米管晶格的畸变，改变其电子结构。例如，电子束或离子束的辐照可能导致碳纳米管中的碳原子被击出晶格，形成空位或间隙原子。这种晶格畸变会显著影响碳纳米管的电子性质，例如载流子迁移率和电导率。

• 缺陷增加：辐照损伤会引入更多的缺陷，如空位、替位原子和边缘缺陷。这些缺陷会降低碳纳米管的导电性和热导率，影响其在电子器件中的性能。例如，缺陷态会捕获载流子，导致电导率下降。此外，缺陷还会散射声子，降低热导率。

• 断裂：在高剂量的辐照下，碳纳米管可能会发生断裂，导致其机械性能下降。断裂的碳纳米管会失去其原有的纳米结构，影响晶圆级碳纳米管的整体性能。例如，断裂的碳纳米管会降低晶圆级碳纳米管的强度和韧性。

图1. 氩离子轰击下沉积在 Pt 基板上的碳纳米管缺陷产生过程

性能退化

辐照损伤可能导致晶圆级碳纳米管的性能退化，包括电学性能、热导率和机械性能的下降。

• 电学性能退化：辐照损伤会引入更多的缺陷态，降低碳纳米管的载流子迁移率。例如，缺陷态会捕获载流子，导致电导率下降。此外，辐照损伤还可能导致碳纳米管的能带结构发生变化，影响其半导体特性。例如，半导体型碳纳米管可能会因辐照损伤而转变为金属性。

• 热导率下降：碳纳米管的热导率与其晶体结构密切相关。辐照损伤引入的缺陷会散射声子，降低热导率。例如，高剂量的辐照可能导致碳纳米管的热导率下降50%以上。这种热导率的下降会影响晶圆级碳纳米管在热管理材料中的应用。

• 机械性能下降：辐照损伤会降低碳纳米管的强度和韧性。例如，断裂的碳纳米管会失去其原有的高强度特性，影响晶圆级碳纳米管的机械性能。此外，辐照损伤还可能导致晶圆级碳纳米管的弹性模量下降，影响其在结构材料中的应用。

图2. 离子对悬空和非悬空碳纳米管造成的平均缺陷数量。(a)离子对悬空单壁碳管所造成的缺陷平均数量；(b)悬空衬底与非悬空衬底上的碳纳米管在不同能量离子入射下缺陷数量对比及退火后缺陷数量的变化

光谱检测方法

拉曼光谱检测

拉曼光谱技术可以用于检测辐照损伤对晶圆级碳纳米管的影响。通过分析拉曼光谱的变化，可以获取晶圆级碳纳米管中的结构损伤和性能退化信息。

• D带和G带的变化：辐照损伤会导致D带强度增加，G带位置发生偏移。D带（约1350 cm⁻¹）是碳纳米管中的缺陷特征峰，其强度与材料中的缺陷密度成正比。G带（约1580 cm⁻¹）是碳纳米管的石墨化特征峰，其位置和宽度可以反映碳纳米管的结构完整性。通过测量D带与G带的强度比ID/IG，可以定量评估辐照损伤的程度。例如，比值越高，辐照损伤越严重。

• G'带的变化：G'带（约2600 cm⁻¹）是碳纳米管的另一特征峰，其位置和宽度也会受到辐照损伤的影响。例如，辐照损伤可能导致G'带分裂或展宽，这反映了碳纳米管的电子结构变化。通过分析G'带的变化，可以进一步了解辐照损伤对碳纳米管电子性质的影响。

• 拉曼成像技术：结合共聚焦拉曼光谱技术，可以实现对晶圆级碳纳米管中辐照损伤的成像。通过扫描样品表面并记录拉曼光谱的变化，可以获得辐照损伤分布的二维图像。这种成像技术可以用于评估晶圆级碳纳米管在局部区域的损伤程度，为材料的可靠性评估提供更全面的信息。

荧光光谱检测

荧光光谱技术也可以用于检测辐照损伤对晶圆级碳纳米管的影响。通过分析荧光光谱的变化，可以获取晶圆级碳纳米管中的缺陷密度和电子结构变化信息。

• 荧光强度的变化：辐照损伤会引入更多的缺陷态，导致荧光强度降低。通过测量荧光强度的变化，可以定量评估辐照损伤的程度。例如，荧光强度的降低与辐照剂量成正比。这种荧光强度的变化可以用于实时监测晶圆级碳纳米管在辐照过程中的损伤程度。

• 荧光光谱的红移或蓝移：辐照损伤可能导致荧光光谱的红移或蓝移。例如，辐照损伤可能改变碳纳米管的能带结构，导致荧光光谱发生位移。通过分析荧光光谱的位移，可以进一步了解辐照损伤对碳纳米管电子结构的影响。例如，荧光光谱的红移可能表明碳纳米管的能带间隙减小，而蓝移则可能表明能带间隙增大。

• 荧光寿命测量：荧光寿命是指荧光物质在激发光停止照射后，荧光强度衰减到其最大值的1/e所需的时间。荧光寿命测量可以提供晶圆级碳纳米管中电子跃迁动力学信息。例如，辐照损伤可能导致荧光寿命的变化，通过测量荧光寿命的变化，可以进一步了解辐照损伤对碳纳米管电子结构的影响。

辐照损伤的定量评估

建立损伤模型

为了更准确地评估辐照损伤对晶圆级碳纳米管的影响，需要建立定量的损伤模型。这些模型可以通过实验数据和理论计算相结合的方法建立，用于预测辐照剂量与损伤程度之间的关系。

• 实验数据拟合：通过实验测量不同辐照剂量下晶圆级碳纳米管的拉曼光谱和荧光光谱变化，建立辐照剂量与损伤指标（如ID/IG比值、荧光强度变化等）之间的关系。例如，可以通过拟合实验数据，建立线性或非线性模型，用于预测辐照损伤的程度。

• 理论计算支持：结合分子动力学模拟和量子力学计算，进一步理解辐照损伤对晶圆级碳纳米管的微观影响。例如，通过分子动力学模拟，可以研究高能粒子与碳纳米管相互作用的物理过程，预测辐照损伤的类型和分布。通过量子力学计算，可以研究辐照损伤对碳纳米管电子结构的影响，为实验数据的解释提供理论支持。

损伤指标的应用

建立的损伤模型可以用于评估晶圆级碳纳米管在实际应用中的可靠性。通过测量晶圆级碳纳米管的拉曼光谱和荧光光谱，结合损伤模型，可以定量评估其在太空和航空航天环境中的损伤程度。

• 可靠性评估：通过损伤模型，可以预测晶圆级碳纳米管在不同辐照环境下的性能退化程度，为材料的可靠性评估提供依据。例如，可以根据损伤模型预测晶圆级碳纳米管在太空环境中的使用寿命，为航天器的设计和材料选择提供参考。

• 质量控制：损伤模型可以用于晶圆级碳纳米管的质量控制。通过测量晶圆级碳纳米管的拉曼光谱和荧光光谱，结合损伤模型，可以检测材料中的辐照损伤，确保材料的质量。例如，在晶圆级碳纳米管的制造过程中，可以通过光谱检测技术实时监测材料的质量，及时发现并处理辐照损伤。

图3.  CNT FET 和集成电路的辐照损伤机制（总电离剂量、位移损伤和单粒子效应）。(a)CNT FET 的总电离剂量效应损伤机理示意图；(b)总剂量效应在氧化物中的电子空穴对；(c)界面处的氧化物陷阱电荷；(d)CNT FET 位移损伤机理示意图；(e)CNT FET 中的位移损伤会影响载流

子重组、俘获和浓度；(f)CNT FET 的典型单粒子效应瞬态电流；(g)CNT FET 的单粒子效应损伤机理示意图；(h)由单粒子效应导致的敏感区域产生电子在源漏电压下形成电流示意图；(i)单粒子效应导致的栅极电场示意图

我司的地面辐照模拟与原位光谱测试系统具备了如下的性能特点和优点：

自主设计真空腔室与光学系统

集成质子源，电子束，UV光等相关的辐照源

独特的光窗补偿，进一步提高了原位测试的灵敏度与信噪比

在真空原位的情况下也可以实现自动对焦下的扫描成像

图4. 地面辐照模拟与原位光谱测试系统

结论

辐照损伤对晶圆级碳纳米管的结构和性能有显著影响。通过光谱检测技术，可以有效评估辐照损伤的程度。拉曼光谱和荧光光谱技术具有高灵敏度和非接触测量的优点，能够为晶圆级碳纳米管在太空和航空航天领域的应用提供重要的技术支持。未来的研究将进一步优化光谱检测方法，提高其对辐照损伤的检测精度和可靠性。同时，建立定量的损伤模型将为晶圆级碳纳米管的可靠性评估和质量控制提供更有力的支持，推动晶圆级碳纳米管在太空和航空航天领域的实际应用。