项目名称：    等离子体对半导体和生物材料表面改性研究

推荐单位：    香港特别行政区

项目简介：    本项目属于材料表面和界面研究领域,主要涉及材料、信息、生物以及等离子体物理等多个交叉学科,在半导体和生物医用材料的等离子体表面优化处理应用基础研究方面,做出了开创性工作,取得了一系列突破性成果,并得到了国内外专家广泛认可。

1.理论预测并发现等离子体注入半导体硅片的剂量不均匀性这一重要物理现象,揭示出鞘层多重聚焦的内在机制；建立了阴极弧过滤体系电场控制数学模型,发现电子振荡对等离子体放电与传输的影响；阐明了等离子体注入过程金属污染机制,发明了全硅屏蔽等离子体表面处理装置。

2.建立了半导体SOI结构制备中氢等离子体注入剂量的数学模型，首次利用等离子体注入/离子切割方法制备出世界上第一片完整的6英寸SOI片。

3.提出缺陷诱导氢扩散模型,有效控制损伤层的位置与密度,成功制备出超薄SOI衬底材料,并将该技术拓展到其它新型半导体材料制备上。

4.首次发现了氢等离子体注入能够赋予硅基材料和钛基材料生物活性，证明了无定形氢化硅（a-Si:H）薄膜和Ti-OH基团的形成是具有生物活性的关键。

5.在改善材料的生物相容性方面，发现了高反应活性等离子体注入到生物医用NiTi合金可使Ni原子向内部迁移，抑制细胞毒性Ni离子扩散到人体内；证明了类金刚石(DLC)薄膜的血液相容性主要由sp2/sp3的比值决定，为DLC材料在心血管植入材料方面的应用提供了理论依据。

本项目共发表SCI检索论文110篇,SCI他引900余篇次，单篇他引最高76篇次。英文著作8部，应邀在美国材料学会年会和国际离子束表面改性材料大会等做特邀报告30次，授权美国专利8项、中国专利3项，多项专利被IBM, Samsung, Sharp等公司引用，其中单项专利他引最高38项次。半导体SOI材料的研究成果被美国最著名的两个半导体工业杂志之一"Solid State Technology"在其40年纪念周刊选为封面标题，生物活化的硅材料被认为"可植入芯片","Technical Insights"国际网站多次专门撰文推介我们的工作，说明本项目研究已得到了国际学术界和工业界的广泛重视。

主要发现点：  （1） 理论预测并发现等离子体注入平面硅片的剂量不均匀性这一重要物理现象，揭示出离子注入/切割硅片中等离子体鞘层随时空演化多重聚焦的内在机制。

（2） 发现在SOI结构材料制备中金属污染不仅来自于靶台，而且来自于真空室壁，发明了全硅屏蔽等离子体表面处理装置。

（3） 建立了半导体SOI结构制备中氢等离子体注入剂量的数学模型和热流功率模型，利用等离子体注入/离子切割方法制备出完整的6英寸硅薄片。

（4） 提出缺陷诱导氢扩散模型，成功制备出超薄SOI衬底材料。

（5） 提出了阴极弧过滤体系电场控制的数学模型，发现电子振荡对等离子体放电与传输的影响，为新型高热SOI材料SOAN（Silicon-on-aluminum nitride）制备奠定基础。

（6） 利用氢等离子体注入技术赋予了硅材料表面生物活性，发现无定形氢化硅（a-Si:H）薄膜是具有生物活性的关键。

（7） 发现氢等离子体离子注入能赋予纳米氧化钛涂层良好的生物活性，涂层表面的纳米颗粒大小和氢离子注入处理是涂层具有生物活性的关键因素。

（8） 发现高反应活性等离子体离子注入生物医用材料NiTi形状记忆合金，可有效降低其表面Ni原子浓度，使表面的Ni原子向材料内部迁移，从而抑制了细胞毒性Ni离子扩散到人体内。

（9） 发现类金刚石(DLC)薄膜的血液相容性主要由sp2/sp3的比值决定，而不是传统上认为的与sp2或sp3的绝对量有关。

主要完成人：  1.   朱剑豪

作为项目负责人，领导课题组成员在半导体材料新结构制备、生物医用材料表面改性和等离子体注入技术物理等方面进行了大量开创性研究工作（第二、五、八发现点），得到了同行认可，并将相关研究转化成为商业应用。

2.   田修波

理论预测并证实等离子体离子注入多重聚焦现象（第一发现点），揭示不均匀性的内在机制；同时给出了平面硅片离子注入的剂量和热流率简洁数学模型（第三发现点），为本项目半导体材料及生物材料表面改性奠定理论基础。

3.   刘宣勇

利用氢等离子体注入技术获得了具有生物活性的硅材料，发现无定形氢化硅薄膜是具有生物活性的关键（第六发现点）。发现氢离子注入纳米氧化钛涂层具有生物活性，其关键因素是表面颗粒大小和氢离子注入（第七发现点）。

4.   黄安平

提出缺陷诱导氢扩散模型，成功制备出超薄SOI衬底材料。（第四发现点）。

5.   傅劲裕

发现DLC薄膜的血液相容性主要由sp2/sp3的比值决定，而不是传统上认为的与sp2或sp3绝对量有关（第九发现点）。

10篇代表性论文：  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