項目名稱：    等離子體對半導體和生物材料表面改性研究

推薦單位：    香港特別行政區(qū)

項目簡介：    本項目屬于材料表面和界面研究領域,主要涉及材料、信息、生物以及等離子體物理等多個交叉學科,在半導體和生物醫(yī)用材料的等離子體表面優(yōu)化處理應用基礎研究方面,做出了開創(chuàng)性工作,取得了一系列突破性成果,并得到了國內外專家廣泛認可。

1.理論預測并發(fā)現(xiàn)等離子體注入半導體硅片的劑量不均勻性這一重要物理現(xiàn)象,揭示出鞘層多重聚焦的內在機制；建立了陰極弧過濾體系電場控制數(shù)學模型,發(fā)現(xiàn)電子振蕩對等離子體放電與傳輸?shù)挠绊�；闡明了等離子體注入過程金屬污染機制,發(fā)明了全硅屏蔽等離子體表面處理裝置。

2.建立了半導體SOI結構制備中氫等離子體注入劑量的數(shù)學模型，首次利用等離子體注入/離子切割方法制備出世界上第一片完整的6英寸SOI片。

3.提出缺陷誘導氫擴散模型,有效控制損傷層的位置與密度,成功制備出超薄SOI襯底材料,并將該技術拓展到其它新型半導體材料制備上。

4.首次發(fā)現(xiàn)了氫等離子體注入能夠賦予硅基材料和鈦基材料生物活性，證明了無定形氫化硅（a-Si:H）薄膜和Ti-OH基團的形成是具有生物活性的關鍵。

5.在改善材料的生物相容性方面，發(fā)現(xiàn)了高反應活性等離子體注入到生物醫(yī)用NiTi合金可使Ni原子向內部遷移，抑制細胞毒性Ni離子擴散到人體內；證明了類金剛石(DLC)薄膜的血液相容性主要由sp2/sp3的比值決定，為DLC材料在心血管植入材料方面的應用提供了理論依據(jù)。

本項目共發(fā)表SCI檢索論文110篇,SCI他引900余篇次，單篇他引最高76篇次。英文著作8部，應邀在美國材料學會年會和國際離子束表面改性材料大會等做特邀報告30次，授權美國專利8項、中國專利3項，多項專利被IBM, Samsung, Sharp等公司引用，其中單項專利他引最高38項次。半導體SOI材料的研究成果被美國最著名的兩個半導體工業(yè)雜志之一"Solid State Technology"在其40年紀念周刊選為封面標題，生物活化的硅材料被認為"可植入芯片","Technical Insights"國際網(wǎng)站多次專門撰文推介我們的工作，說明本項目研究已得到了國際學術界和工業(yè)界的廣泛重視。

主要發(fā)現(xiàn)點：  （1） 理論預測并發(fā)現(xiàn)等離子體注入平面硅片的劑量不均勻性這一重要物理現(xiàn)象，揭示出離子注入/切割硅片中等離子體鞘層隨時空演化多重聚焦的內在機制。

（2） 發(fā)現(xiàn)在SOI結構材料制備中金屬污染不僅來自于靶臺，而且來自于真空室壁，發(fā)明了全硅屏蔽等離子體表面處理裝置。

（3） 建立了半導體SOI結構制備中氫等離子體注入劑量的數(shù)學模型和熱流功率模型，利用等離子體注入/離子切割方法制備出完整的6英寸硅薄片。

（4） 提出缺陷誘導氫擴散模型，成功制備出超薄SOI襯底材料。

（5） 提出了陰極弧過濾體系電場控制的數(shù)學模型，發(fā)現(xiàn)電子振蕩對等離子體放電與傳輸?shù)挠绊�，為新型高熱SOI材料SOAN（Silicon-on-aluminum nitride）制備奠定基礎。

（6） 利用氫等離子體注入技術賦予了硅材料表面生物活性，發(fā)現(xiàn)無定形氫化硅（a-Si:H）薄膜是具有生物活性的關鍵。

（7） 發(fā)現(xiàn)氫等離子體離子注入能賦予納米氧化鈦涂層良好的生物活性，涂層表面的納米顆粒大小和氫離子注入處理是涂層具有生物活性的關鍵因素。

（8） 發(fā)現(xiàn)高反應活性等離子體離子注入生物醫(yī)用材料NiTi形狀記憶合金，可有效降低其表面Ni原子濃度，使表面的Ni原子向材料內部遷移，從而抑制了細胞毒性Ni離子擴散到人體內。

（9） 發(fā)現(xiàn)類金剛石(DLC)薄膜的血液相容性主要由sp2/sp3的比值決定，而不是傳統(tǒng)上認為的與sp2或sp3的絕對量有關。

主要完成人：  1.   朱劍豪

作為項目負責人，領導課題組成員在半導體材料新結構制備、生物醫(yī)用材料表面改性和等離子體注入技術物理等方面進行了大量開創(chuàng)性研究工作（第二、五、八發(fā)現(xiàn)點），得到了同行認可，并將相關研究轉化成為商業(yè)應用。

2.   田修波

理論預測并證實等離子體離子注入多重聚焦現(xiàn)象（第一發(fā)現(xiàn)點），揭示不均勻性的內在機制；同時給出了平面硅片離子注入的劑量和熱流率簡潔數(shù)學模型（第三發(fā)現(xiàn)點），為本項目半導體材料及生物材料表面改性奠定理論基礎。

3.   劉宣勇

利用氫等離子體注入技術獲得了具有生物活性的硅材料，發(fā)現(xiàn)無定形氫化硅薄膜是具有生物活性的關鍵（第六發(fā)現(xiàn)點）。發(fā)現(xiàn)氫離子注入納米氧化鈦涂層具有生物活性，其關鍵因素是表面顆粒大小和氫離子注入（第七發(fā)現(xiàn)點）。

4.   黃安平

提出缺陷誘導氫擴散模型，成功制備出超薄SOI襯底材料。（第四發(fā)現(xiàn)點）。

5.   傅勁裕

發(fā)現(xiàn)DLC薄膜的血液相容性主要由sp2/sp3的比值決定，而不是傳統(tǒng)上認為的與sp2或sp3絕對量有關（第九發(fā)現(xiàn)點）。

10篇代表性論文：  1.   Plasma Immersion Ion Implantation - A Fledgling Technique for Semiconductor ProcessingMaterials Science & Engineering: Reports

2.   Improving the Plasma Immersion Ion Implantation Impact Energy Inside a Cylindrical Bore by Using an Auxiliary Electrode Applied Physics Letters

3.   Effects of the Auxiliary Electrode Radius During Plasma Immersion Ion Implantation of a Small Cylindrical BoreApplied Physics Letters

4.   Investigation of Dose Uniformity on the Inner Races of Bearings Treated by Plasma Immersion Ion Implantation Journal of Applied Physics

5.   Antithrombogenic Investigation of Surface Energy and Optical Bandgap and Hemocompatibility Mechanism of Ti(Ta+5)O2 Thin Films Biomaterials

6.   Plasma Surface Modification of BiomaterialsMaterials Science & Engineering: Reports

7.   Blood Compatibility and sp3 / sp2 Contents of Diamond-Like Carbon (DLC) Synthesized by Plasma Immersion Ion Implantation - DepositionSurface & Coatings Technology

8.   Activation of Platelets Adhered on Amorphous Hydrogenated Carbon (a-C:H) Films synthesized by Plasma Immersion Ion Implantation - Deposition (PIII-D)Biomaterials

9.   Biomimetic Growth of Apatite on Hydrogen Implanted SiliconBiomaterials

10.  Improvement of Surface Bioactivity on Titanium by Water and Hydrogen Plasma Immersion Ion ImplantationBiomaterials