TWI645988B - 在固態材料上形成突出部的方法與系統、以及具有突出部的固態材料 - Google Patents

在固態材料上形成突出部的方法與系統、以及具有突出部的固態材料 Download PDF

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Abstract

一種在固態材料的經拋光小面的外表面上形成一個或一個以上突出部的方法，所述方法包含步驟：以使頂部表面材料突出的方式朝向固態材料的經拋光小面的外表面施加聚焦惰性氣體離子束局部輻射；其中來自所述聚焦惰性氣體離子束的所輻射聚焦惰性氣體離子穿透所述固態材料的所述經拋光小面的所述外表面；以及其中所輻射聚焦惰性氣體離子在一壓力下造成所述固態材料在所述外表面下方的固態晶格內的膨脹應變以引起固態晶格的膨脹，且在所述固態材料的所述經拋光小面的所述外表面上形成突出部。

Description

在固態材料上形成突出部的方法與系統、以及具有突出部的固態材料
本發明涉及在固態材料上提供標記的方法。特定來說，本發明涉及在例如寶石等固態材料的表面上提供標記，進而所述標記並不光學可見。
對固態材料進行標記，特別是珍貴寶石或類似物，例如在鑒定或質量標記，則可能需要。對於寶石的標記，希望以某一方式執行標記，使得不會損壞寶石或使任何損壞最小化，保存寶石的完整性，不發生明顯質量損失，無化學殘留物剩餘，且標記不會有損寶石的清晰度或顏色。
對於裝飾性寶石，標記技術應對裸眼不可見，以便從美學觀點來看不會有損寶石的質量，因為可見的識別標記可能减損視覺效果而導致寶石的貶值。
蝕刻、雕刻和微研磨工藝的技術存在於現有技術中，這 些可能影響寶石的完整性和質量，且可能視覺上不合意。此外，這些工藝導致某一量的材料損失，這也可能視覺上不合息。
其它標記技術也存在於現有技術中，包含例如美國專利US 6,391,215 B1中揭示的技術，其中將信息標記施加到鑽石或碳化矽寶石的經拋光小面，其中用導電層塗覆寶石。所述導電層防止寶石變得帶電，且用聚焦離子束形成標記，進而燒蝕表面的一部分達必要的深度，且隨後利用强力氧化劑清洗施加標記的表面。
本發明的目的是提供一種在固態材料上提供標記的方法以及其上具有所述標記的固態材料，它克服了或至少部分改善了與現有技術相關聯的至少一些缺陷。
在第一方面中，本發明提供一種在固態材料的經拋光小面的外表面上形成一個或一個以上突出部的方法，所述方法包含步驟： 以使頂部表面材料突出的方式朝向固態材料的經拋光小面的外表面施加聚焦惰性氣體離子束局部輻射；其中來自所述聚焦惰性氣體離子束的所輻射聚焦惰性氣體離子穿透所述固態材料的所述經拋光小面的所述外表面；以及其中所輻射聚焦惰性氣體離子在一壓力下造成所述固態材料在所述外表面下方的固態晶格內的膨脹應變以便引起固態晶格的膨脹，且在所述固態材料的所述經拋光小面的所述外表面上形成突 出部。
優選地，所述聚焦惰性氣體離子束具有5keV到50keV的範圍內的束能量和1fA到200pA的範圍內的探測電流。
所述固態晶格可呈單晶體、多晶體或非晶態的形式，且所述固態材料是在環境溫度和從大氣到高真空的壓力下呈固態形式的材料。
優選地，所述固態材料是寶石。更優選地，所述固態材料是選自包含鑽石、紅寶石、藍寶石、翡翠、珍珠、玉或類似物的群組的材料。
聚焦惰性氣體離子束是可選自周期表的VIII族中的任何惰性氣體的離子源。
優選地，固態材料的經拋光小面具有小於50nm的平均表面粗糙度。
優選地，突出部具有成納米或微米數量級的平均寬度，以及成納米或微米數量級的平均高度。
從所述固態材料的所述外表面到所述外表面下方的所輻射惰性氣體累積的區域的距離優選在1nm到100μm的範圍內。
可提供所述突出部以便形成可識別標記或圖案，且所述可識別標記呈單個點或點陣列、柱、圓頂、半球、綫、不規則形狀、對稱或不對稱形狀或類似形狀的形式。
可提供所述可識別標記作為周期性綫陣列、孔/點陣列、圓形陣列、螺旋陣列、分形陣列或多個周期陣列，或類似陣列。
或者，可提供可識別標記作為連續突出形狀以形成任意圖案。
可形成納米尺寸的多個突出部，以便提供由於光學限制中的瑞利準則而對裸眼不可見的信息標記。所述突出部可布置成周期性陣列，所述周期性陣列在可見和不可見光範圍內通過指定光照條件和配備顯微鏡的相機下而可見。所述一個或一個以上突出部形成可識別安全性標記。
所述方法優選地維持保留所述固態材料的完整性，且使得大體上不存在質量損失。
在第二方面中，本發明提供一種固態材料，其具有在所述固態材料的經拋光小面的外表面上形成一個或一個以上突出部的一個或一個以上突出部方法，其中所述一個或一個以上突出部是由包含以下步驟的方法形成： (i)以使頂部表面材料突出的方式朝向固態材料的經拋光小面的外表面施加聚焦惰性氣體離子束局部輻射；其中來自所述聚焦惰性氣體離子束的所輻射聚焦惰性氣體離子穿透所述固態材料的所述經拋光小面的所述外表面；以及其中所輻射聚焦惰性氣體離子在一壓力下造成所述固態材料在所述外表面下方的固態晶格內的膨脹應變以引起固態晶格的膨脹，且在所述固態材料的所述經拋光小面的所述外表面上形成突出部。
優選地，所述聚焦惰性氣體離子束具有5keV到50keV的範圍內的束能量和1fA到200pA的範圍內的探測電流。
所述固態晶格可呈單晶體、多晶體或非晶態的形式。所 述固態材料是在環境溫度和從大氣到高真空的壓力下呈固態形式的材料。
所述固態材料優選地是寶石，且更優選地選自包含鑽石、紅寶石、藍寶石、翡翠、珍珠、玉或類似物的群組。
用以形成所述一個或一個以上突出部的所述聚焦惰性氣體離子束是可選自周期表的VIII族中的任何惰性氣體的離子源。
優選地，固態材料的經拋光小面具有小於50nm的平均表面粗糙度。
突出部優選地具有成納米或微米數量級的平均寬度，以及成納米或微米數量級的平均高度。
優選地，從所述固態材料的所述外表面到所述外表面下方的所輻射惰性氣體累積的區域的距離在1nm到100μm的範圍內。
優選提供所述一個或一個以上突出部以便形成可識別的標記或圖案。所述可識別標記可呈單個點或點陣列、柱、圓頂、半球、綫、不規則形狀、對稱或不對稱形狀或類似形狀的形式。
或者，可提供所述可識別標記作為周期性綫陣列、孔/點陣列、圓形陣列、螺旋陣列、分形陣列或多個周期陣列，或類似陣列，或可提供所述可識別標記作為連續突出形狀以形成任意圖案。
所述固態材料可形成有納米尺寸的多個突出部，以便提供由於光學限制中的瑞利準則而對裸眼不可見的信息標記。 所述突出部可布置成周期性陣列，所述周期性陣列在可見和不可見光範圍內通過指定光照條件和配備顯微鏡的相機下而可見。
所述一個或一個以上突出部形成可識別安全性標記。
在所述一個或一個以上突出部的形成期間保留所述固態材料的完整性，且大體上不存在固態材料的質量損失。
在第三方面中，本發明提供一種用於在固態材料的經拋光小面的外表面上形成一個或一個以上突出部的系統，所述系統包含： 聚焦惰性氣體離子束裝置，用於朝向固態材料的經拋光小面的外表面施加聚焦惰性氣體離子束局部輻射，計算機控制裝置，用於控制朝向固態材料的經拋光小面的外表面的聚焦惰性氣體離子束局部輻射的排放，其中所述計算機控制器裝置控制來自所述聚焦惰性氣體離子束的所輻射聚焦惰性氣體離子以便穿透所述固態材料的所述經拋光小面的所述外表面；且所輻射聚焦惰性氣體離子在一壓力下造成所述固態材料在所述外表面下方的固態晶格內的膨脹應變以引起固態晶格的膨脹，且在所述固態材料的所述經拋光小面的所述外表面上形成突出部。
優選地，所述聚焦惰性氣體離子束裝置具有5keV到50keV的範圍內的束能量和1fA到200pA的範圍內的探測電流。
用以形成所述一個或一個以上突出部的聚焦惰性氣體離子束是可選自周期表的VIII族中的任何惰性氣體的離子源。
所述系統提供具有成納米或微米數量級的平均寬度以及 成納米或微米數量級的平均高度的突出部。
優選地，所述系統適於提供突出部，借此從所述固態材料的所述外表面到所述外表面下方的所輻射惰性氣體累積的區域的距離在1nm到100μm的範圍內。
所述系統適於在固態材料的經拋光小面的外表面上提供可識別的標記或圖案。由所述系統提供的所述可識別標記可呈單個點或點陣列、柱、圓頂、半球、綫、不規則形狀、對稱或不對稱形狀或類似形狀的形式。
或者，可提供所述可識別標記作為周期性綫陣列、孔/點陣列、圓形陣列、螺旋陣列、分形陣列或多個周期陣列，或類似陣列。可提供可識別標記作為連續突出形狀以形成任意圖案。
優選地，所述系統適於提供形成的納米尺寸的多個突出部，以提供由於光學限制中的瑞利準則而對裸眼不可見的信息標記。
所述系統優選地適於提供多個突出部，所述突出部布置成周期性陣列，所述周期性陣列在可見和不可見光範圍內通過指定光照條件和配備顯微鏡的相機下而可見。
所述系統可適於提供一個或一個以上突出部以形成可識別的安全性標記。
所述系統適於在所述一個或一個以上突出部的形成期間維持所述固態材料的完整性，且使得大體上不存在所述固態材料的質量損失。
優選地，所述系統適於在寶石的外表面上提供一個或一 個以上突出部。更優選地，所述系統適於在鑽石、紅寶石、藍寶石、翡翠、珍珠、玉或類似物的外表面上提供一個或一個以上突出部。
所述系統優選地適於在所述固態材料的經拋光小面上提供具有小於50nm的平均表面粗糙度的一個或一個以上突出部。
所述系統優選地適於在固態材料的外表面上提供一個或一個以上突出部，其中所述一個或一個以上突出部具有成納米或微米數量級的平均寬度以及成納米或微米數量級的平均高度。
優選地，所述系統適於在固態材料的外表面上提供一個或一個以上突出部，使得所述外表面下方的所輻射惰性氣體累積的區域在1nm到100μm的範圍內。
101‧‧‧氣體源
102‧‧‧靜電透鏡柱
103‧‧‧掃描偏轉器
104‧‧‧掃描偏轉器
105‧‧‧聚焦惰性氣體離子束
106‧‧‧發射裝置
107‧‧‧發射裝置
108‧‧‧電子或負電荷的束
109‧‧‧試樣
110‧‧‧帶電物質
111‧‧‧離子或電子檢測器
201‧‧‧入射高能聚焦惰性氣體離子束
202‧‧‧頂部表面區
203‧‧‧固態材料試樣
204‧‧‧入射離子
205‧‧‧穿透深度
206‧‧‧分散寬度
207‧‧‧聚焦離子束點
301‧‧‧高能惰性氣體離子
302‧‧‧路徑
303‧‧‧入射角
304‧‧‧表面或界面
305‧‧‧固態試樣
306‧‧‧高能物質
307‧‧‧突出點
308‧‧‧局部區域
309‧‧‧傳播路徑
310‧‧‧路徑
311‧‧‧高能物質
312‧‧‧傳播路徑
313‧‧‧局部區域
401‧‧‧納米尺寸點
402‧‧‧鑽石小面
403‧‧‧垂直周期
404‧‧‧定標綫條
405‧‧‧水平周期
501‧‧‧納米尺寸點
502‧‧‧鑽石小面
503‧‧‧垂直周期
504‧‧‧定標綫條
505‧‧‧水平周期
601‧‧‧納米尺寸點
602‧‧‧鑽石小面
603‧‧‧垂直周期
604‧‧‧定標綫條
605‧‧‧水平周期
701‧‧‧Z方向軸
702‧‧‧平坦表面
703‧‧‧突出表面
704‧‧‧寬度或直徑
705‧‧‧高度
801‧‧‧突出標記
802‧‧‧平坦表面
803‧‧‧軸
804‧‧‧軸
805‧‧‧軸
901‧‧‧白點
902‧‧‧鑽石小面
903‧‧‧經編程陣列
904‧‧‧定標綫條
905‧‧‧連續圖案或標記
906‧‧‧鑽石小面
907‧‧‧二維突出圖案或標記
908‧‧‧定標綫條
下文將借助實例且參考附圖更詳細闡釋本發明的優選實施例，附圖中：圖1展示本發明中利用的聚焦惰性氣體離子束系統的配置的示例性示意圖；圖2展示根據本發明的入射高能聚焦惰性氣體離子與固態材料試樣在頂部表面區處的計算機模擬相互作用體積的示例性示意圖；圖3展示根據本發明的描繪主要入射高能惰性氣體離子與固態試樣的相互作用的示例性示意圖，所述圖展示例如電子 和離子等帶電粒子沿著入射離子的安置路徑的產生；圖4描繪根據本發明的納米尺寸點的實驗性突出陣列的離子顯微鏡圖像；圖5描繪根據本發明的納米尺寸點的又一實驗性突出陣列的離子顯微鏡圖像；圖6描繪根據本發明的納米尺寸點的另一實驗性突出陣列的離子顯微鏡圖像；圖7a描繪展示未經處理平坦表面的表面輪廓的示意表示的曲綫圖；圖7b描繪根據本發明的突出表面的輪廓的示意表示的曲綫圖；圖8描繪參考如參見圖4、5和6所述的實驗結果具有成比例尺寸的平坦表面上的突出表面輪廓的示意三維等高綫表示；圖9a描繪根據本發明的在單晶體鑽石小面上的未經處理表面的離子顯微鏡圖像，所述小面具有將由聚焦惰性氣體離子束入射的經編程點陣列；以及圖9b描繪根據本發明在鑽石試樣表面上的指定位置處由聚焦惰性氣體離子束入射之後的圖9a的單晶體鑽石小面的表面的離子顯微鏡圖像。
參見圖1，展示根據本發明的標記方法的實施例利用的聚焦惰性氣體離子束系統100的配置的示例性示意圖。
與典型的掃描電子顯微術(SEM)相比，聚焦惰性氣體離子束系統100具有類似的基本配置，其中圖1的示意圖展示根據本發明的實施例用於產生和成像納米尺寸點的突出陣列的聚焦惰性氣體離子束系統100的配置。
在靜電透鏡柱102的頂部處的氣體源101可為周期表的VIII族中的任何已知惰性氣體，且所利用的惰性氣體源的選擇取决於必要的所得分辨率和製造時間。此外，優選地利用惰性氣體，以使待標記的試樣的電、光或化學性質的任何更改最小化。
舉例來說，對於下文參見圖4、圖5和圖6進一步展示和論述的突出納米尺寸點的製造，具有輕原子質量的惰性氣體的低壓力是優選的，例如用於聚焦惰性氣體離子束系統100的氣體源101的氦氣或氖氣。
一旦惰性氣體離子從氣體源101發射，其便沿著靜電透鏡柱102的頂部加速和聚焦，且隨後由掃描偏轉器103和104偏轉，所述掃描偏轉器由計算機系統控制，所述計算機系統通常是大型計算機或控制系統或類似物，這最終形成掃描聚焦惰性氣體離子束105以入射於試樣109的表面上。
在聚焦惰性氣體離子束105的掃描或連續入射以入射於試樣109的表面上期間，從例如電子泛射槍或電荷補償器等發射裝置106和107發射的電子或負電荷的束108用以補償由於氣體離子在試樣表面109上的連續入射而帶正電的試樣表面109。
由於帶電離子抑制聚焦惰性氣體離子105的進一步入射，因此這導致必要的突出標記的位置或形狀的圖像模糊或漂移 。
在聚焦惰性氣體離子束105在試樣109的表面上的入射期間，入射惰性氣體離子與試樣109表面的相互作用產生不同的帶電物質110，例如電子或離子，這些電子或離子由離子或電子檢測器111檢測以用於成像、物質定性和定量。
參見圖2，展示根據本發明的入射高能聚焦惰性氣體離子與固態材料試樣203在頂部表面區202處的計算機模擬相互作用體積的示例性示意圖，其中描述計算機模擬蒙特卡羅曲綫的實例，展示在入射高能聚焦惰性氣體離子束201在頂部表面區202處與固態材料試樣203的相互作用期間入射離子204的軌迹。
相互作用的蒙特卡羅模擬是基於氦離子作為在30keV下加速的入射高能聚焦惰性氣體離子束201的源，且固態材料試樣203是矽襯底。
固態材料試樣203的相互作用體積的橫截面是以入射離子的穿透深度205和垂直於穿透深度205的分散寬度206來界定，且穿透深度205和分散寬度206的蒙特卡羅模擬數值結果是大約100nm。
此外，由於氦氣離子進入矽襯底的高穿透深度和較小的橫向蔓延，在10nm範圍內的頂部表面區202處的聚焦離子束點207的尺寸小達1nm或更小，以便滿足本發明在產生必要的納米尺寸結構或標記時的必要準則。
參見圖3，示意性展示根據本發明利用的入射高能惰性氣體離子301與固態材料305的詳細相互作用。
為了本發明實施例的闡釋目的，假定實驗環境處於高真空，例如處於5×10-6托或更低壓力下，且沿著路徑302入射的高能惰性氣體離子301於所述真空與固態試樣305之間的表面或界面304成入射角303。
在入射於試樣表面或界面304處的高能惰性氣體離子301的實例中，可產生可能的高能物質306，例如二次電子、奧格電子、X射綫、二次離子、來自固態試樣305的濺射粒子，或甚至反向散射的高能惰性氣體離子301。
所述可能的高能物質的環境取决於高能惰性氣體離子301的原子質量和携帶的能量、固態試樣305的密度和結晶度、原子之間的化學鍵合，以及試樣表面或界面304的電荷狀態。
如果高能惰性氣體離子301具有足够能量，那麽所述高能物質進入固態試樣305存在著高可能性且繼續穿透。
沿著傳播路徑309和312，高能惰性氣體離子301可經歷與固態試樣305內的鄰近原子的無彈性碰撞，且一種可能性是產生高能物質311，例如二次離子或二次電子，且可能沿著路徑310從試樣表面或界面304出來。
另一可能性是所述可能的高能物質由於能量損失而停止於某些局部區域處，例如308和313，如固態試樣305內所描繪，從而導致局部區域308和313處的惰性氣體離子的積累或晶體的非晶體化。
通過對高能惰性氣體離子301的入射角303、加速電壓以及高能惰性氣體離子301的物質選擇的條件的適當控制，入射的高能惰性氣體離子301具有高概率停止於區域308處，且導 致局部區域處的惰性氣體離子的積累或晶體的非晶體化這兩種情况的任一者或兩者，所述局部區域與晶體結構相比具有較低密度但具有較大體積。
因此，根據本發明實施例在固態試樣305內在試樣表面或界面304稍微下方累積局部內部應變，這最終導致在試樣表面或界面304處固態晶格的膨脹，因而引起突出點307的形成。
參見如圖4中描繪的離子顯微鏡圖像，展示通過聚焦惰性氣體離子束系統在單晶體鑽石小面402上的納米尺寸點401的實驗性突出陣列。
所利用氣體離子的加速電壓是大約35kV，且所利用束電流是大約0.5pA，其中離子劑量是大約0.1nC/μm2，且停留時間是大約1μs。如將瞭解，可利用其它適用的加速電壓和束電流，且仍屬於本發明的範圍內。舉例來說，將瞭解，利用具有5keV到50keV範圍內的束能量和1fA到200pA的探測電流的聚焦惰性氣體離子束的聚焦惰性氣體離子束裝置是適用的，但所屬領域的技術人員也可考慮，能够產生在5keV到50keV和1fA到200pA的探測電流以外的參數的設備適用於本發明。
如圖1作為舉例說明及描述，聚焦惰性氣體離子束的入射位置由計算機編程且隨後由掃描偏轉器103和104控制，以及如圖4中所示的結果，3×3突出納米尺寸點的陣列形成，每一突出納米尺寸點401具有大約130nm的直徑，且參考鑽石小面402的平面的垂直周期403和水平周期405(相鄰突出納米尺寸點401的中間之間的位移)相同為大約200nm。
如圖示在此示例中的整個圖像的視場在垂直和水平方向上在57,150 X的放大率下是2.00μm×2.00μm，在此示例中是在突出納米尺寸點401的製造之後由同一聚焦惰性氣體離子束成像，且具有與掃描模式下相同的氣體離子加速電壓但更小的束電流。
展示定標綫條404用於參考突出納米尺寸點401的尺寸。
類似於圖4，圖5展示在單晶體鑽石小面502上通過聚焦惰性氣體離子束系統製造的納米尺寸點501的突出陣列的示例性實施例，然而在此示例中的突出納米尺寸點501的直徑减小到80nm，且垂直周期503和水平周期505兩者增加到400nm。
突出納米尺寸點501直徑的减小是通過將惰性氣體離子劑量减少到小於0.05nC/μm2且還將束電流减少到小於0.5pA來實現。
圖5的成像條件與圖4中設定相同，具有定標綫條505用於參考。
借助於另一示例性實施例，進一步將惰性氣體離子劑量减少到例如0.03nC/μm2或更小，且還進一步將束電流减少到0.4pA或更小，如圖6中所示，在單晶體鑽石小面602上製造的突出納米尺寸點601的直徑减少到50nm。
突出納米尺寸點601的陣列具有與圖5中所示相同的垂直周期603和水平周期605，具有類似的定標綫條604用於參考和比較目的。
如所屬領域的技術人員將理解和瞭解，參見圖4、圖5和圖6描述的示例性實施例展示突出納米尺寸點的直徑可通過適 當調諧入射氣體離子劑量和探測電流來控制、調諧入射氣體離子劑量和探測電流於是導致調諧入射氣體離子的束尺寸。 故此納米尺寸點的直徑可被控制從圖4中所示的130nm的直徑到圖6中所示的低到50nm的明顯更小的尺寸。
此外，在納米尺寸點的突出陣列中垂直和水平周期從如圖4所示的200nm到圖5和圖6中所示的400nm的改變指示聚焦惰性氣體離子束具有用於在試樣表面上的任意位置處製造那些突出納米尺寸點的能力和功效，這是由於呈單個點或點陣列、柱、圓頂、半球、綫、不規則形狀、對稱或不對稱形狀或任意形狀的形式的突出標記，所述突出標記例如成周期性綫陣列、孔/點陣列、圓形陣列、螺旋陣列、分形陣列或多個周期陣列。
參考圖7a和圖7b來進一步闡釋突出納米尺寸點的幾何形狀，示意性曲綫圖展示未經處理的平坦試樣表面702與具有納米尺寸點的突出表面703的表面輪廓的橫截面。
參考Z方向軸701，圖7a的未經處理的平坦表面702處於Z=0的水平，而圖7b的突出表面703變形到Z方向的正符號方向，因此具有高於未經處理的平坦表面702的輪廓。
未經處理的平坦表面702或突出表面703的更上方的另外空間可在Z方向軸的正符號方向上暴露於空氣/真空，而在Z方向的負側方向上，試樣深度可為有限的或半無限的。
將突出表面703的高度705界定為突出表面703頂部從Z=0的位移，而將突出表面703或點的寬度或直徑704界定為突出表面703的表面輪廓中恰在Z=0上方的兩個最低點之間的最大 位移。
參見圖8，展示突出標記801輪廓的示意性三維等高綫圖的實例，以便提供對通過聚焦惰性氣體離子束在平坦表面802上製造的突出標記801的形狀的增强說明、瞭解和理解。
所述突出標記的高度具有與參見圖7b闡釋和論述的705相同的定義，其中突出標記801參考軸803從平坦表面802延伸，而突出標記801的寬度和深度具有與參見圖7a和圖7b闡釋和描述的704相同的定義，分別是參考804和805。
參考圖8的說明性實例與圖4、圖5和圖6中所示的那些突出納米尺寸點，所有軸803、804和805的尺寸單位是納米。
參見如圖9a和圖9b中所示的離子顯微鏡圖像，展示本發明的示例性實施例，其中通過經編程陣列903在單晶體鑽石小面902和906上製造預定和設計的納米尺寸的突出圖案或標記907是可行的，其中在圖9a中以白點901展示高能惰性氣體離子入射處。參考定標綫條904，相鄰白點901的中心之間的位移是大約120nm。
通過控制入射高能惰性氣體離子的劑量和束電流以便實現具有不小於120nm直徑的每一突出納米尺寸點，連續突出綫905和在小面906上另外的具有大約800nm×800nm尺寸的二維突出圖案或標記907，而不是如圖9a中所示形成離散點。
所屬領域的技術人員將瞭解，本發明允許利用本發明的方法和工藝來提供許多其它和替代的實施例，以便以預定方式對固態材料提供標記，取决於應用的要求而用於多種應用。
本發明提供用於將標記施加到固態材料的方法和系統以及從其得到的經標記固態材料(優選為寶石)，這提供了具有包含以下各項的優點的標記：(i)不難看且在不知道用於觀看和識別此標記的特定參數的情况下可能不容易看見的標記；(ii)當施加到寶石時允許出於安全性目的以及寶石行業中的跟踪和來源購買、益處和優點而進行識別的標記；(iii)用於固態材料的標記的安全性目的，所述標記可在不正當行為、偷竊或類似情况下被識別；(iv)固態材料的標記，沒有與例如蝕刻、燒蝕、研磨、雕刻或類似的破壞性和侵入性標記方法相關聯的缺點；(v)並不導致材料的移除或被施加標記的固態材料的重量或質量的任何明顯損失的方法及其產品；(vi)並不更改固態材料的光學性質且不會有害地影響固態材料的清晰度或顏色的方法及其產品；(vii)利用惰性氣體且不會對固態材料引入污染物或雜質的方法及其產品；(viii)使固態材料不必進行後處理的方法及其產品；(ix)不需要從固態材料的表面明顯移除材料的方法及其產品；(x)使固態材料不必在施加標記之前進行預處理或塗覆的方法及其產品；(xi)不具有相關聯化學殘餘物的方法及其產品，(xi)不必進行後處理且不必利用例如化學和等離子清洗 等複雜的後處理技術的方法及其產品。
通過提供通過以使頂部表面材料突出(由於惰性氣體累積或下方晶體的非結晶化的力而在固態晶格下方的頂部表面發生的固態晶格膨脹)以形成圖案或標記的方式施加聚焦惰性氣體離子束局部輻射對固態材料的表面進行標記的方法，而不是涉及對固態材料的破壞性、侵入性和燒蝕性的蝕刻、雕刻、研磨或移除頂部表面材料，本發明提供優於現有技術的明顯優點。
所屬領域的技術人員將瞭解與用於固態材料的此標記技術和方法相關聯的優點，除了在示範性實施例及其實例中所描述的應用之外還可在其它應用中利用和實施。
雖然已參考上述實例或優選實施例闡釋了本發明，但將瞭解，這些是為了幫助理解本發明的實例，且幷不有意是限制性的。對所屬領域的技術人員顯而易見或細微的變化或修改以及由此做出的改進應當視為本發明的等效物。

Claims (18)

  1. 一種在固態材料的經拋光小面的外表面上形成一個或一個以上突出部的方法，所述方法包含步驟：朝向所述固態材料的所述經拋光小面的所述外表面施加聚焦惰性氣體離子束局部輻射，以形成從所述經拋光小面的所述外表面向外突出的一突出部；其中來自所述聚焦惰性氣體離子束的所輻射聚焦惰性氣體離子穿透所述固態材料的所述經拋光小面的所述外表面；以及其中所輻射的聚焦惰性氣體離子在一壓力下造成所述固態材料在所述外表面下方的固態晶格內的膨脹應變以引起固態晶格的膨脹，且在所述固態材料的所述經拋光小面的所述外表面上形成所述突出部。
  2. 根據請求項1所述的形成一個或一個以上突出部的方法，其中所述聚焦惰性氣體離子束具有5keV到50keV的範圍內的束能量和1fA到200pA的範圍內的探測電流。
  3. 根據請求項1或請求項2所述的形成一個或一個以上突出部的方法，其中所述固態晶格呈單晶體、多晶體或非晶態的形式。
  4. 根據請求項1所述的形成一個或一個以上突出部的方法，其中所述固態材料是在環境溫度和從大氣到高真空的壓力下呈固態形式的材料。
  5. 根據請求項1所述的形成一個或一個以上突出部的方法，其中所述固態材料是寶石，優選地選自包含鑽石、紅寶石、藍寶石、翡翠、珍珠、玉或類似物的群組的材料。
  6. 根據請求項1所述的形成一個或一個以上突出部的方法，其中所述聚焦惰性氣體離子束是來自周期表的VIII族中的任何惰性氣體的離子源。
  7. 根據請求項1所述的形成一個或一個以上突出部的方法，其中所述固態材料的所述經拋光小面具有小於50nm的平均表面粗糙度。
  8. 根據請求項1所述的形成一個或一個以上突出部的方法，其中所述突出部具有成納米或微米數量級的平均寬度，以及成納米或微米數量級的平均高度。
  9. 根據請求項1所述的形成一個或一個以上突出部的方法，其中從所述固態材料的所述外表面到所述外表面下方的所輻射惰性氣體累積的區域的距離在1nm到100μm的範圍內。
  10. 根據請求項1所述的形成一個或一個以上突出部的方法，其中提供所述一個或一個以上突出部以形成可識別的標記或圖案。
  11. 根據請求項10所述的形成一個或一個以上突出部的方法，其中所述可識別標記呈單個點或點陣列、柱、圓頂、半球、綫、不規則形狀、對稱或不對稱形狀或類似形狀的形式，其中可提供所述可識別標記作為周期性綫陣列、孔/點陣列、圓形陣列、螺旋陣列、分形陣列或多個周期陣列，或類似陣列。
  12. 根據請求項10或請求項11所述的形成一個或一個以上突出部的方法，其中提供所述可識別標記作為連續突出形狀以形成任意圖案。
  13. 根據請求項所述1的形成一個或一個以上突出部的方法，其中形成多個突出部且為納米尺寸，以便提供由於光學限制中的瑞利準則而對裸眼不可見的信息標記。
  14. 根據請求項13所述的形成一個或一個以上突出部的方法，其中所述突出部布置成周期性陣列，所述周期性陣列在可見和不可見光範圍內通過指定光照條件和配備顯微鏡的相機而可見。
  15. 根據請求項1所述的形成一個或一個以上突出部的方法，其中所述突出部形成可識別的安全性標記。
  16. 根據請求項1所述的形成一個或一個以上突出部的方法，其中保留所述固態材料的完整性，且大體上不存在質量損失。
  17. 一種固態材料，具有在所述固態材料的經拋光小面的外表面上形成一個或一個以上突出部，其中所述一個或一個以上突出部是由根據前述請求項1到16中任一請求項所述的方法形成。
  18. 一種用於在固態材料的經拋光小面的外表面上形成一個或一個以上突出部的系統，其中該系統根據前述請求項1到16中任一請求項所述的方法，形成所述一個或一個以上突出部。
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