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纳米颗粒由于其独特的性质,它在光电子器件、生物传感器等多个领域具有广阔的应用前景。研究纳米颗粒的合成、性质及其应用成为目前材料科学领域关注的焦点。合成纳米颗粒的方法有多种,而离子注入具有明显的优势,表现在注入离子的种类及其浓度不受材料和材料的固溶度限制;纳米颗粒形成的深度以及颗粒大小可以通过精确地控制离子的剂量和能量来实现等。因此,近年来,采用离子注入并结合随后的热处理成为制备和研究各类纳米颗粒的一个重要方向。本工作在室温下采用能量为45keV、剂量为1×1017离子/cm2的Cu离子注入到Al2O3单晶中,注入后样品随后在不同气氛下进行热处理,借助于紫外-可见分光光度计（UV-Vis）、X射线衍射仪（XRD）、原子力显微镜（AFM）等测试手段详细地研究了Cu纳米颗粒的形成及其演变规律,重点比较了两类气氛,即真空和O2气流对Cu纳米颗粒生长和热演变的影响。通过实验研究,得到了以下重要的结果:（1）UV-Vis、XRD和AFM测试结果均表明,Cu离子注入到Al2O3单晶可以产生镶嵌的Cu纳米颗粒,理论计算和实验研究表明,该纳米颗粒的尺寸约在10nm左右;（2）随后的真空氛围下退火,在300到600oC的温度范围,热处理仅仅导致注入产生的各类缺陷（包括非晶化效应）的逐渐恢复,而表征Cu纳米颗粒的特征相关量,如Cu等离子共振峰（SPR）和Cu（111）衍射峰,均未发生明显的变化。结果说明,在真空中热处理,对于所研究的温度范围,退火只能引起注入缺陷发生一系列的演变,而不能使得Cu纳米颗粒发生明显的生长或演变。Cu纳米颗粒未发生明显的生长进一步通过AFM测试得到了证实;（3）相同退火条件,在氧气氛围下对离子注入合成的Cu纳米颗粒进行热处理,UV-Vis和XRD测试结果均表明,与真空退火不同,氧气氛下退火导致了Cu纳米颗粒发生了一系列的变化。在300oC退火温度,Cu纳米颗粒明显生长;500oC退火温度使得纳米颗粒生长的同时,部分转化为CuO纳米颗粒;而600oC退火则使得Cu的纳米颗粒完全转变成CuO纳米颗粒。AFM测试结果证实了纳米颗粒的生长现象。在低能重离子高剂量注入下,固体表面的溅射会非常严重,由于固体表面的不断侵蚀,会使得注入原子的分布发生显著的变化,为了合理地解释Cu纳米颗粒的合成及其热演变,本工作还基于溅射理论,在计算出溅射产额的基础上,从理论上模拟计算出了不同剂量、45keVCu离子注入Al2O3单晶注入原子深度剖面,计算结果表明。在本工作采用的注入条件下,Cu原子不再呈现高斯型分布,大部分Cu原子而是分布在近表面区域。通过AFM分析能够在表面揭示纳米颗粒形成就跟溅射引起的Cu原子分布在近表面区域相关。另外,针对两种不同氛围下热处理观测到的截然不同的结果,本文还借助于O原子的扩散理论解释了O2气氛下退火Cu纳米颗粒向CuO纳米颗粒转变及其对温度的依赖性。