摘要：离子注入聚合物（在一定的能量和一定的剂量），可引起聚合物电导率增加几个到十几个数量级。利用这个特性，可制作导电图样，制作连线，制作p型半导体材料和n型半导体材料，制作pn 结，制作二维和三维集成电路互连接。离子注入聚合物还使聚合物的颜色加深，光吸收增加，可制作有机太阳能电池。离子注入聚合物还引起聚合物力学、磁学、光学性质发生变化。
关键词：离子注入；表面电导率；聚合物

中图分类号：TN305.3;O631.2 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2004)03-0044-05

1 引言
离子注入聚合物由于可能应用在微电子、光学及表面防护等方面而变得引人注意。已有许多离子注入聚合物的实验，对离子和聚合物相互作用引起的聚合物结构变化和由此而引起的聚合物电学、力学和光学等性质的变化作了系统的研究。本文对这些实验结果及潜在应用作一总结。

2 导电特性研究及应用

离子注入聚合物引起聚合物断链、交联，形成自由基，用四极质谱仪可探测到有挥发性气体放出[1～4]。分子中原子数越大，放出的可能性越低 (放出的挥发性物质随所用的聚合物不同而变化，一般有氢气、氧气、一氧化碳、甲酸等)。放出的气体主要是小分子。放出的效率强烈的依赖于入射离子在聚合物膜中的电子能量损失。所有放出物质的放出效率随膜内损伤及注入剂量的增加而减小。辐射后放出分子种类的动态特性提供了定量测量分子在聚合物中扩散（测量扩散系数）的新方法。RBS（背散射谱）表明，离子注入后聚合物膜表面出现无定形富碳层[2,3]。辐射膜的喇曼光谱测量表明，随着辐射剂量的增加，原来分子结构减少，非晶碳光谱增加。离子注入时，聚合物中有些元素更易于形成挥发性物质，引起膜中其他元素相对加浓的富集效应经被应用到用离子辐射特定的聚合物膜合成新型无机膜（例SiC等）。

聚合物在离子注入时发生降解，有些情况下出现完全碳化。作为这个效应的一个应用例子，用离子束作为入射辐射（能量MeV，剂量为1011～1013ion/cm2）刻蚀保护膜已用在石版印刷中[2,5]。离子注入时由于富碳层的形成，使注入膜的电阻率大幅度的降低。用高能离子注入时，电阻率在一定的剂量范围内随剂量增加降低十几个数量级，剂量进一步增加时，电阻率变化很慢，且出现饱和趋势。饱和电阻率值随注入能量的增加而降低。150keV As+注入DCH-PDA（聚丁二炔）晶体，电阻率降低 15个数量级[1]。200keV Br+注入绝缘物质PAN（聚丙烯晴），PPO，PPS（聚苯硫醚），在D=3×1015 ion/cm2时，电导率增加14个数量级[6]。用1.5MeV Ar+辐射HPR-204膜，在1014～1016ion/cm2，电阻率降低12个数量级[7]。

高能离子注入引起电导率极大增加（十几个数量级），使产生容易加工处理价格低廉且电导率可供选择的材料，用来做2D和3D集成电路互连接，制作pn结[6]。低能注入时，有高能离子相似的性质（即在一定的剂量范围内，电阻率随剂量增加迅速下降，剂量再增加时，出现饱和），但最低电阻率比高能离子注入时要大。如10～40keV Ar+注入HPR-204膜，引起表面电阻率减小3～4个数量级，没有高能离子注入时降低幅度大。另外用100keV Ar+和100 keV Kr+注入PPS得到的最低电阻率比1MeV Ar+辐射大5～6个数量级[2]。聚合物膜的电阻率和束流的关系为非线性关系，在固定剂量（如1016ion/cm2）时，电阻率随注入束流的增加而非线性减小[8]。离子注入形成的导电膜中电导率为各向同性[2]。

在低能离子注入时，薄膜中没有晶态结构，在高能（MeV）离子注入时，用电子能量损失谱证明，得到一个微晶石墨结构。用2MeV Ar+辐照HPR-204膜，用TEM证明，在离子辐照后(1017 Ar+/cm2)，可以看到非晶碳的特征弥散环，这表明在辐照后膜内的原子有序化增加。当电子束平行于膜表面采样时，得到一系列弥散衍射斑，这起因于类石墨平面以平均间隔（0.35±0.05nm）平行膜表面不规则堆积[9]。

霍耳效应测出离子注入聚合物膜有非常高的载流子密度(1022～1023cm-3)，具有极低的迁移率(＜10-3cm2/V·s)[2,6,7,9]。离子注入膜的电阻率和温度的依赖关系为ρ(T)=ρ0exp(T0/T)m,这里1/2＜m＜1,20K＜T＜290K,在温度比较高(T＞190K)时,m≈1,在低温时m≈1/2(T＜80K)。直流电阻率在宽的温度范围内和载流子在定域态间的跳跃电子传导相一致。在高温时为最临近的定域态间跳跃传导，在低温时为一维变区域跳跃传导，在中间温度范围（80K＜T＜190K），两种导电机制都起作用(m≈0.75) [1,10]。200keV Br+注入PAN,PPO,PPS,PVC实验中，交流电导率和频率的依赖性 σ=σ0+AωS , 0＜s＜1.5,ω＜20kHz 也说明一维跳跃导电。Br+注入在PPS中产生p型材料，在PAN中产生n型材料 [6]。在另外的实验中发现离子注入聚合物膜的电阻率和温度的依赖关系为ρ(T)∝exp(T0/T)1/2形式(23K