TWI708857B - 離子產生複合靶材以及使用其之雷射驅動離子加速裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明主要關於一種離子產生複合靶材，係供應用於離子放射技術，並包含：基板，其包含通孔；以及石墨烯薄膜，其係配置在該基板上並跨越該通孔，具有介於1nm到3nm的厚度，經離子化後釋放出質子或者碳離子。

Description

離子產生複合靶材以及使用其之雷射驅動離子加速裝置
本發明係有關於一種離子產生複合靶材，尤其是指一種適合應用在雷射驅動離子加速機制中的一種複合靶材。
近年來利用雷射驅動離子加速(laser-driven ion acceleration、LIA)機制來產生高能粒子(energetic particles)，尤其是激發出質子加速(proton acceleration)，因為具有重要的工程與醫學應用前景、以及重大的科學內涵，例如：癌症治療(proton cancer therapy)、核融合點燃(fusion ignition)、基本粒子研究、高能物理研究、與天體物理學研究等，特別是雷射電漿加速器裝置相對傳統加速器更加小型化，甚至可以製作為桌上型(table-top)裝置，因而成為一項非常熱門的科學技術。
LIA又另稱為雷射電漿加速(laser plasma acceleration)、雷射尾波場加速(laser wake field acceleration)等，是利用高能雷射轟擊固態靶材，使靶材前端產生庫倫爆炸，瞬間升溫到游離狀態而電漿化，電漿雲中游離的熱電子群受到雷射電磁波的有質動力(ponderomotive force)的推擠與驅動，穿越靶材而從後端出去並形成一層熱電子層(電漿鞘)，熱電子群的聚集同時誘發強大靜電場，拉動游離的質子群同步前進，並將質子群加速到 數仟萬電子伏特(MeV)的高能量；LIA常以靶材法線鞘加速(Target Normal Sheath Acceleration、TNSA)模型作為基本的理論模型，在TNSA模型中，透過電漿鞘可激發出靶材法線方向的強力靜電場將質子群加速到非常高的能量。
第1圖係揭示習用技術中雷射尾波場加速質子之基本模型示意圖；第1圖中由脈衝雷射所發出的高能雷射光束10，在轟擊靶材12之後，游離的熱電子群遠離靶材並形成弧形的熱電子層14，同時產生的靜電場可將質子群16同步拖曳前進，但是所產生的靜電場其強度在非常短的距離內就已經快速衰減，因此在雷射尾波場加速機制中，靶材的厚度必須盡可能的薄化，以增加對質子群的加速效率，但是當靶材厚度小到某個程度時，反而無法承受來自高能雷射的前驅脈衝雷射的轟擊。
第2圖係揭示習用技術中雷射脈衝其強度與時間之關係圖；當使用雷射尾波場來加速基本粒子時，由於高能雷射皆採用脈衝雷射實施，主脈衝激發前會先產生一段前驅脈衝(pre-pulse)，如第2圖所揭示前驅脈衝的強度(intensity)雖然比主脈衝略低，但其延時(duration)對比於主脈衝相對冗長，故前驅脈衝產生的總能量功率，甚至比主脈衝大數十倍，加上前驅脈衝對靶材產生的強加熱效應(strong heating effect)，因此薄靶材根本無法承受前驅脈衝的轟擊，在主脈衝抵達前就已經損毀無法使用，較厚的靶材雖然可耐受前驅脈衝，但其厚度將降低整體的離子加速效率。
因此有必要開發並製作出一種超薄的固態靶材，可以耐受前驅脈衝的轟擊不致損壞，但又能接受前驅脈衝的激發而達到最大程度的游離，激發出更多離子、或重離子(heavy ions)，當主脈衝抵達時可形成雷射 尾波場並成功加速目標離子；職是之故，申請人經過悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案「離子產生複合靶材以及使用其之雷射驅動離子加速裝置」，能夠克服上述缺點，以下為本發明之簡要說明。
鑑於習用技術(prior art)中通常使用單層碳氫(C-H based)靶材來進行雷射驅動離子加速(laser-driven ion acceleration)，過程中碳氫靶材因厚度很薄故結構過於脆弱，無法耐受高能雷射光束前驅脈衝的轟擊，在主脈衝抵達前靶材就已損壞，導致離子的加速效果不佳，因此本發明提出一種以石墨烯薄膜與基板共同作為複合靶材、以及一種以石墨烯薄膜作為支架(scaffold)承載由任意材料形成之薄膜的複合靶材。
本案發明解決先前技術中產生碳離子時，碳系材料雖然很容易製作成很薄的靶材，但也因此太容易遭到前驅脈衝破壞的問題，故本發明提出的離子產生複合靶材，使用石墨烯薄膜做為複合靶材的主要材料並與基板共同做為複合靶材，或是透過石墨烯材料本身所具有的超強碳原子鍵結結構做為支架，來支撐脆弱的任意材料薄膜並共同做為複合靶材，本發明之複合靶材可以耐受前驅脈衝的轟擊，並能釋放出大量的各種離子。
據此本發明提出一種離子產生複合靶材，係供應用於離子放射技術，並包含：基板，其包含通孔；以及石墨烯薄膜，其係配置在該基板上並跨越該通孔，具有介於1nm到3nm的厚度，經離子化後釋放出質子以及碳離子其中之一。
較佳的，所述之離子產生複合靶材，還包含以下其中之一：多層的該石墨烯薄膜，其係配置在該基板上並跨越該通孔，且每一層的該 石墨烯薄膜具有介於1nm到3nm的厚度；碳系材料薄膜，其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有小於20nm的厚度，經離子化後釋放出質子以及碳離子其中之一；碳氫材料薄膜，其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有小於20nm的厚度，經離子化後釋放出質子或者碳離子；以及金屬材料薄膜，其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有介於1nm到4nm的厚度，經離子化後釋放出質子以及碳離子其中之一。
據此本發明進一步提出一種離子產生複合靶材，係供應用於離子放射技術，並包含：基板，其包含通孔；以及多層石墨烯薄膜，其係配置在該基板上並跨越該通孔，每一層石墨烯薄膜具有介於1nm到3nm的厚度，該多層石墨烯薄膜經離子化後釋放出質子以及碳離子其中之一。
據此本發明進一步提出一種雷射驅動離子加速裝置，其包含：雷射，其發射雷射光束；以及複合靶材，其包含：基板，其包含提供該雷射光束通過的通孔；以及石墨烯薄膜，其係配置在該基板上並跨越該通孔，具有介於1nm到3nm的厚度，經該雷射光束離子化後釋放出質子以及碳離子其中之一。
較佳的，所述之雷射驅動離子加速裝置，其中該複合靶材還包含以下其中之一：多層的該石墨烯薄膜，其係配置在該基板上並跨越該通孔，且每一層的該石墨烯薄膜具有介於1nm到3nm的厚度；碳系材料薄膜，其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有小於20nm的厚度，經離子化後釋放出質子以及碳離子其中之一；碳氫材料薄膜，其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有小於20nm的厚度，經離子化後釋放出質子以及碳離子其中之一；以及金屬材料薄膜，其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有介於1nm到4nm的 厚度，經離子化後釋放出質子以及金屬離子其中之一。
10‧‧‧高能雷射光束
12‧‧‧靶材
14‧‧‧熱電子層
16‧‧‧質子群
20‧‧‧矽晶片基板
22‧‧‧直通孔
30‧‧‧銅箔基板
32‧‧‧直通孔
100‧‧‧懸浮石墨烯複合靶材
102‧‧‧基板
104‧‧‧直通孔
106‧‧‧直通孔周圍基板
108‧‧‧石墨烯薄膜
200‧‧‧粒子偵檢配置
202‧‧‧高能雷射發射器
204‧‧‧發明複合靶材
206‧‧‧Thomson針孔
208‧‧‧電磁場
210‧‧‧微通道板
250‧‧‧複合粒子偵檢堆疊
252‧‧‧輻射變色軟片
254‧‧‧鋁板
256‧‧‧CR-39偵檢板
258‧‧‧保護性鋁箔
第1圖係揭示習用技術中雷射尾波場加速質子之基本模型示意圖；第2圖係揭示習用技術中雷射脈衝其強度與時間之關係圖；第3圖揭示在本發明中用於生成石墨烯薄膜之快速熱化學氣相沉積各反應階段之示意圖；第4圖揭示在本發明中用於去除石墨烯薄膜上銅箔載板所實施之電解氣泡法之示意圖；第5圖到第7圖揭示在本發明中用於將所生成之石墨烯薄膜轉移到基板時所實施之濕式轉移法其各道步驟之示意圖；第8圖揭示在本發明中用於將所生成之石墨烯薄膜多次重複轉移到基板以形成多層石墨烯薄膜之示意圖；第9圖係揭示在本發明中做為複合靶材之基板之矽晶片基板之示意圖；第10圖係揭示在本發明中做為複合靶材之基板之銅箔基板之示意圖；第11圖揭示本發明所提出之懸浮石墨烯複合靶材之示意圖；第12圖揭示在本發明中將所生成之石墨烯薄膜進一步製做為懸浮石墨烯靶材時所實施之各道步驟之示意圖；第13圖揭示本發明單層懸浮石墨烯結構的SEM影像；第14圖揭示本發明四層懸浮石墨烯結構的SEM影像；第15圖揭示第14圖所示四層懸浮石墨烯結構在邊緣處的放大SEM影 像；第16圖揭示本發明單層懸浮石墨烯結構的AFM影像；第17圖揭示本發明四層懸浮石墨烯結構的AFM影像；第18圖揭示本發明四層懸浮石墨烯結構的拉曼光譜影像；第19圖揭示本發明單層懸浮石墨烯結構的光學顯微鏡影像；第20圖揭示本發明單層懸浮石墨烯結構的SEM影像；第21圖揭示本發明單層懸浮石墨烯結構在特定位置切面上的拉曼光譜影像；第22圖揭示在第19圖單層懸浮石墨烯薄膜上沉積一層3nm黃金薄膜所構成之複合結構的光學顯微鏡影像；第23圖揭示在第19圖單層懸浮石墨烯薄膜上沉積一層3nm黃金薄膜所構成之複合結構的SEM影像，其中右上角的插入影像顯示出黃金奈米粒子的組成形態；第24圖揭示在第19圖單層懸浮石墨烯薄膜上沉積一層3nm黃金薄膜所構成之複合結構在特定位置切面上的拉曼光譜影像；第25圖揭示本發明四層懸浮石墨烯薄膜結構的光學顯微鏡影像；第26圖揭示本發明四層懸浮石墨烯薄膜結構的SEM影像；第27圖揭示本發明四層懸浮石墨烯薄膜結構在特定位置切面上的拉曼光譜影像；第28圖揭示在第25圖四層懸浮石墨烯薄膜上旋轉塗佈一層12nm之PMMA薄膜所構成之複合結構的光學顯微鏡影像；第29圖揭示在第25圖四層懸浮石墨烯薄膜上旋轉塗佈一層12nm之 PMMA薄膜所構成之複合結構的SEM影像；第30圖揭示在第25圖四層懸浮石墨烯薄膜上旋轉塗佈一層12nm之PMMA薄膜所構成之複合結構在特定位置切面上的拉曼光譜影像；第31圖揭示在第25圖四層懸浮石墨烯薄膜上沉積一層3nm黃金薄膜所構成之複合結構的光學顯微鏡影像；第32圖揭示在第25圖四層懸浮石墨烯薄膜上沉積一層3nm黃金薄膜所構成之複合結構的SEM影像，其中右上角的插入影像顯示出黃金奈米粒子的組成形態；第33圖揭示在第25圖四層懸浮石墨烯薄膜上沉積一層3nm黃金薄膜所構成之複合結構在特定位置切面上的拉曼光譜影像；第34圖係揭示本發明雷射尾波場之偵檢方式之示意圖；第35圖係揭示本發明粒子偵檢堆疊之示意圖；第36圖到第38圖係揭示本發明複合靶材所放射出粒子在第四層CR-39偵檢板上留下的孔洞之影像；第39圖與第42圖係揭示本發明複合靶材所放射出的各種粒子在MCP上形成的拋物線軌跡影像；以及第40圖、第41圖、第43圖、與第44圖係揭示本發明複合靶材所放射出粒子在各層CR-39偵檢板上所留下的孔洞之影像。
本發明將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本發明之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態；本發明之圖式並不包含對大小、尺寸與比例尺的限定， 本發明實際實施時其大小、尺寸與比例尺並非可經由本發明之圖式而被限制。
本文中用語“較佳”是非排他性的，應理解成“較佳為但不限於”，任何說明書或請求項中所描述或者記載的任何步驟可按任何順序執行，而不限於請求項中所述的順序，本發明的範圍應僅由所附請求項及其均等方案確定，不應由實施方式示例的實施例確定；本文中用語“包含”及其變化出現在說明書和請求項中時，是一個開放式的用語，不具有限制性含義，並不排除其他特徵或步驟。
本發明提出使用大面積懸浮石墨烯(large-area suspended graphene、LSG)來做為複合靶材，以習用矩形靶材為例，其長或寬的尺寸大致上都小於10μm，但本發明提出之LSG複合靶材，如以矩形之LSG複合靶材為例，其長邊的長度較佳但不限於可大於400μm，較佳但不限於可大於500μm，實際長度可視雷射功率而變化，但仍可維持在1nm的超薄奈米級厚度，在這樣相對大面積的尺寸下仍然保有高平坦度、均勻(uniformity)、均質(homogeneous)的特性，且因本發明透過使用化學氣相沉積(chemical vapor deposition、CVD)、快速熱化學氣相沉積(rapid-thermal chemical vapor deposition、RTCVD)、或者原子層沉積(atomic layer deposition、ALD)等技術來成長LSG，因此可以準確控制LSG的成長厚度，且本發明LSG複合靶材之製作成本相對並不昂貴。
本發明提出之LSG複合靶材具有對比於輻射壓力加速度(radiation pressure acceleration、RPA)而言相對非常薄的厚度，較佳單一層的石墨烯薄膜其厚度可以薄到1nm，經多層石墨烯薄膜堆疊後，其厚度較佳係 介於10nm~100nm之間的，對比於習用質子加速技術所使用的較厚靶材，相對可以放射(irradiate)出更多離子、形成更高密度的離子群，並更有效的加速離子，且本發明的LSG複合靶材易於大量生產，並具有廣泛的應用層面，例如：可以做為質子加速之靶材、核融合點燃之靶材、癌症治療之靶材，並用應在基本粒子研究、高能物理研究、天體物理學研究等領域。
在本實施例係採用RTCVD為例說明石墨烯薄膜之製作，首先須要使用銅箔(Cu foil)做為石墨烯之基本生長載板，先對將做為生長載板之銅箔表面進行電拋光(electro-polishing)之表面處理，然後使用丙酮(acetone)與去離子水(DI water)清洗處理後之銅箔載板，以去除銅箔載板表面可能殘留的有機汙染源。
第3圖揭示在本發明中用於生成石墨烯薄膜之快速熱化學氣相沉積其各反應階段之示意圖；接著實施RTCVD，將銅箔載板置入RTCVD反應腔，如第3圖所揭示，RTCVD製程大致包含三個主要階段，第1階段為快速升溫階段，將反應腔之溫度從25℃度，在約300秒內線性升溫到980℃度，並在反應腔內通過氫氣氣流(H2 gas flow)；第2階段為熱處理階段，將反應腔之溫度保持在980℃度約2,200秒，在此階段反應腔內是通過氫氣與甲烷之混合氣流(H2 and CH4 gas flow)，以大約50~100sccm(standard cubic centimeter per minute)的氣體流量通過反應腔，反應腔內同時保持大約1.5torr的氣壓力；第3階段為快速熱退火(Rapid Thermal Anneal、RTA)階段，將反應腔之溫度從980℃度，在約400秒內指數降溫到980℃度，在此階段反應腔內是通過氫氣氣流(H2 gas flow)。
一層超薄的石墨烯薄膜主要是在第2階段開始在銅箔載板上 生長，經由氫氣與甲烷之混合氣流來提供碳來源，經由控制第2階段的操作時間就可以決定石墨烯在銅箔載板上生長的總厚度，經過第3階段的RTA處理可以促使第2階段形成的石墨烯薄膜，進一步轉變為高度結晶(high crystalline)結構，所生長出的單一層的超薄石墨烯薄膜其厚度可薄到1nm。接著透過實施旋轉塗佈(spin coating)製程，在銅箔載板上的石墨烯薄膜上形成一層壓克力(PMMA)覆膜，以暫時的保護銅箔載板上的石墨烯薄膜，後續也可與石墨烯薄膜共同構成複合靶材。
第4圖揭示在本發明中用於去除石墨烯薄膜上銅箔載板所實施之電解氣泡法之示意圖；以銅箔載板、石墨烯薄膜以及PMMA覆膜共同做為陰極(cathode)，另以適當之導體做為陽極(anode)，並以氫氧化鈉(NaOH)水溶液(aqueous solution)做為電解液，將陽極與陰極浸入NaOH水溶液，在陽極與陰極之間施加穩定電流後，陰極與陽極間開始產生氧化還原反應，並對水溶液產生電解(electrolysis)反應，過程中陰極產生大量氫氣泡，使得附著在石墨烯薄膜上的銅箔載板從石墨烯薄膜上剝離，而將銅箔載板從石墨烯薄膜以及PMMA覆膜上去除。
第5圖到第7圖揭示在本發明中用於將所生成之石墨烯薄膜轉移到基板時所實施之濕式轉移法其各道步驟之示意圖；然後透過實施濕式轉移(wet transfer)法，再將石墨烯薄膜連同PMMA覆膜重新轉移到另一片基板上，基板已經預先經過純水清潔，如第5圖所揭示，先實施化學選擇性蝕刻(chemical selective etching)，將石墨烯薄膜與PMMA覆膜浸泡在例如：氯化鐵(FeCl3)溶液中，透過氯化鐵可腐蝕銅材料但不腐蝕石墨烯薄膜之特性，進一步去除可能殘留在石墨烯薄膜上的微量銅箔材料，並分離出純石 墨烯薄膜。
接著如第6圖所揭示，將分離出的石墨烯薄膜浸入去離子水中清潔，並使得石墨烯薄膜自由漂浮在去離子水中，將基板也浸入相同的去離子水，並使基板上的直通孔大致對齊石墨烯薄膜，然後直接以基板撈起或釣起(fishing)石墨烯薄膜，則石墨烯薄膜將附著(attach)到基板的直通孔周圍上，有如懸浮在基板的直通孔上，這道步驟也稱為撈釣程序(fishing procedure)，在本實施例基板是以矽基板為例說明，然後如第7圖所揭示，將直通孔上懸浮有石墨烯薄膜之基板直立並加熱乾燥，形成最終的石墨烯複合式靶材。
第8圖揭示在本發明中用於將所生成之石墨烯薄膜多次重複轉移到基板以形成多層石墨烯薄膜之示意圖；透過反覆實施上述濕式轉移法與相同的步驟，即可使多層石墨烯薄膜附著到基板的直通孔上，而在基板直通孔上懸浮多層石墨烯薄膜；在本實施例基板是以銅箔基板為例說明，如第8圖所揭示，使用在直通孔上已經附著有一層石墨烯薄膜的銅箔基板，在去離子水中釣起第二層的石墨烯薄膜，以在基板上懸浮雙層石墨烯薄膜層，重複實施上述的濕式轉移法即可製作出多層石墨烯薄膜，最終構成懸浮在基板直通孔上之多層石墨烯薄膜。
除使用濕式轉移法外，還可以選擇使用例如以聚乙烯醇(PVA)、或者聚二甲基矽氧烷(PDMS)等具有彈性、黏著性之材質做為攜帶層(carrier layer)的乾式轉印(transfer stamp)法，先在PMMA覆膜上形成一層PVA或PDMS彈性攜帶層，再將彈性攜帶層連同石墨烯薄膜與PMMA覆膜，壓印(stamp)到基板的直通孔上，而完成石墨烯薄膜之轉移；接著如果須要 移除PMMA覆膜，可選擇性的繼續實施500℃度的退火製程，將PMMA覆膜從石墨烯薄膜上移除。
第9圖係揭示在本發明中做為複合靶材之基板之矽晶片基板之示意圖；第10圖係揭示在本發明中做為複合靶材之基板之銅箔基板之示意圖；如第9圖所揭示，在本實施例基板係為例如：厚度約250μm的矽晶片(silicon chip)基板20，矽晶片基板20上分佈有許多直徑介於100μm~500μm的直通孔22，或者如第10圖所揭示，在本實施例基板係為例如：具有相當厚度的銅箔基板30，銅箔基板30上只有開設單一個直通孔32，但基板的材質不限於矽晶片或銅箔，只要是具有相當剛性、能提供適當支撐力、不與石墨烯轉移過程使用之化學物質產生反應之材料皆可用做為基板，例如常見的不鏽鋼薄板等。
第11圖揭示本發明所提出之懸浮石墨烯複合靶材之示意圖；本發明最終所製作出的懸浮石墨烯靶材，則如第11圖所揭示，本發明所提出的懸浮石墨烯複合靶材100，包含在基板102的直通孔104上、以及直通孔周圍基板106上，附著有一層石墨烯薄膜108，整片的石墨烯薄膜108跨越基板102直通孔104，一部分的石墨烯薄膜108是懸浮在基板102的直通孔104上，形成懸浮石墨烯複合靶材100，或者另稱為懸空式、懸掛式(free-standing)的石墨烯複合靶材。
值得注意的是，經由重複多次實施轉移法，即可製作出雙層石墨烯薄膜、四層石墨烯薄膜、八層石墨烯薄膜、或者多層石墨烯薄膜等，且可進一步以石墨烯結構做為支架(scaffold)、或棚架，在石墨烯結構上形成碳系材料薄膜、碳氫材料薄膜、金屬薄膜，例如PMMA薄膜、塑膠聚合物 薄膜、有機聚合物薄膜、金箔、或者銅箔鍍膜等，與石墨烯結構、基板等共同構成複合靶材，經離子化之後即可釋放出質子、離子等粒子，石墨烯薄膜的厚度可以經由CVD製程簡單且準確的控制，總石墨烯薄膜層的厚度，也可以經由多層石墨烯薄膜的層積數量而簡單且準確的控制。
第12圖揭示本發明複合靶材之各道製作步驟流程圖；小結以上所述，本發明之複合式靶材之製作流程，大致分為幾道步驟，包含首先清潔提供石墨烯薄膜生長之銅箔載板，然後透過實施RTCVD在銅箔載板生長出單一層的石墨烯薄膜，這層石墨烯薄膜的厚度可以小到1nm，接近一個原子層的厚度，然後以旋轉塗佈的方式，再石墨烯薄膜上形成一層PMMA覆膜，然後實施電解氣泡法去除附著在石墨烯薄膜上的銅箔載板，然後實施一次、或者多次的轉移法，將基板與石墨烯薄膜或者形成在其上的其他任意材料薄膜，共同構成最終的複合靶材。
為了呈現同時檢測形成在基板上的石墨烯薄膜結構，因此將所合成的石墨烯薄膜以掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope、SEM)進行掃描，並取得一系列SEM影像，SEM影像除可以展示出石墨烯薄膜之結構，透過影像內容更可以發現結構體中是否存在雜質、破裂、折疊、孔隙、不連續結構等缺陷；第13圖係揭示單層懸浮石墨烯結構懸浮在直徑500μm直通孔上的SEM影像，第13圖揭示的影像顯示出大致均勻且未受汙染的薄膜結構。
第14圖係揭示四層懸浮石墨烯結構(4L-SLG)懸浮在直徑500μm直通孔上的SEM影像，第15圖揭示第14圖所示四層懸浮石墨烯結構在邊緣處的放大SEM影像，從第15圖中可清楚看見四層懸浮石墨烯和矽基 板的交界，以及在交界處矽基板的連續破裂帶與皺褶結構等，第15圖也顯示出懸浮石墨烯薄膜對比於矽基板是相對的非常平坦。
為了檢測形成在基板上的石墨烯薄膜具體在形貌(topography)方面的結構特徵，再進一步將所合成的石墨烯薄膜以非接觸式原子力顯微鏡(atomic force microscope、AFM)進行掃描，並取得一系列掃描AFM影像，透過AFM掃描，可以精確測量出石墨烯薄膜結構，在特定軸線上、或者三維空間的原子尺度等級表面形狀與尺寸；第16圖係揭示單層懸浮石墨烯結構(SLG)懸浮在直通孔上的AFM影像；第17圖係揭示四層懸浮石墨烯結構(4L-SLG)懸浮在直通孔上的SEM影像；在第16圖與第17圖中，AFM是選擇石墨烯結構懸浮在直通孔的交界處的位置進行掃描，水平軸是表示樣本在橫軸上的距離並以微米(μm)為單位，垂直軸是表示樣本在直軸上的高度並以奈米(nm)為單位。
為了驗證石墨烯成分的存在與其特性，因此對所合成的石墨烯薄膜進行拉曼光譜(Raman spectroscopy)分析，典型的石墨烯拉曼指紋圖譜應該包含兩條分別落在1580cm-1的G頻帶以及落在2680cm-1的2D頻帶。第18圖所揭示之拉曼光譜影像，是沿著四層懸浮石墨烯結構(4L-SLG)橫跨直徑250μm直通孔的軸線實施拉曼光譜分析所獲得，從第18圖所揭示影像可看出，在本發明四層懸浮石墨烯結構之拉曼光譜上，包含典型的G頻帶與2D頻帶，可確認本發明上述製程所製作出之物質包含石墨烯成分，除了G與2D頻帶，第18圖拉曼光譜上還包含少許落在1350cm-1的D頻帶，以及少許落在2450cm-1的D+D”頻帶，其中D頻帶相對低於G頻帶，顯示本發明所製作的石墨烯薄膜已高度結晶化(crystallinity)，因此具有相對較低的缺陷密度(defect density)，而2D頻帶與G頻帶之比值小於1，則顯示出樣本是多層石墨烯結構，2D頻帶與G頻帶具有大小相近的頻寬、強度特性、以及高度的相似性，顯示出本發明所製作出的石墨烯薄膜具有大範圍的均勻性(uniformity)。
第19圖揭示本發明單層懸浮石墨烯結構的光學顯微鏡影像；第20圖揭示本發明單層懸浮石墨烯結構的SEM影像；第21圖揭示本發明單層懸浮石墨烯結構在特定位置切面上的拉曼光譜影像；第22圖揭示在第19圖單層懸浮石墨烯薄膜上沉積一層3nm黃金薄膜(Au foil)所構成之複合結構的光學顯微鏡影像；第23圖揭示在第19圖單層懸浮石墨烯薄膜上沉積一層3nm黃金薄膜所構成之複合結構的SEM影像，其中右上角的插入影像顯示出黃金奈米粒子的組成形態；第24圖揭示在第19圖單層懸浮石墨烯薄膜上沉積一層3nm黃金薄膜所構成之複合結構在特定位置切面上的拉曼光譜影像。
第25圖揭示本發明四層懸浮石墨烯薄膜結構的光學顯微鏡影像；第26圖揭示本發明四層懸浮石墨烯薄膜結構的SEM影像；第27圖揭示本發明四層懸浮石墨烯薄膜結構在特定位置切面上的拉曼光譜影像；第28圖揭示在第25圖四層懸浮石墨烯薄膜上旋轉塗佈一層12nm之PMMA薄膜所構成之複合結構的光學顯微鏡影像；第29圖揭示在第25圖四層懸浮石墨烯薄膜上旋轉塗佈一層12nm之PMMA薄膜所構成之複合結構的SEM影像；第30圖揭示在第25圖四層懸浮石墨烯薄膜上旋轉塗佈一層12nm之PMMA薄膜所構成之複合結構在特定位置切面上的拉曼光譜影像；第31圖揭示在第25圖四層懸浮石墨烯薄膜上沉積一層3nm黃金薄膜所構成之複合結構的光學顯微鏡影像；第32圖揭示在第25圖四層懸浮石墨烯薄膜上沉積一層3nm黃 金薄膜所構成之複合結構的SEM影像，其中右上角的插入影像顯示出黃金奈米粒子的組成形態；第33圖揭示在第25圖四層懸浮石墨烯薄膜上沉積一層3nm黃金薄膜所構成之複合結構在特定位置切面上的拉曼光譜影像。
第34圖係揭示本發明雷射尾波場之偵檢方式之示意圖；第35圖係揭示本發明粒子偵檢堆疊之示意圖；本發明使用標準Thomson拋物線光譜儀(spectrometer)配置，以偵檢雷射尾波場的高能粒子，包含檢測高能粒子的存在與能量值等；粒子偵檢配置200包含高能雷射發射器202、本發明複合靶材204、複合粒子偵檢堆疊250、Thomson針孔206、電磁場208、以及微通道板(micro channel plate、MCP)210等，高能雷射發射器較佳為設定為雙電漿鏡式(double plasma-mirror、DPM)構形的Vulcan Petawatt高能雷射，較佳分別以單層石墨烯薄膜、與多層石墨烯薄膜做為複合靶材204，複合靶材的厚度可以經由石墨烯薄膜的轉移次數決定，每層石墨烯薄膜之厚度大約為1nm，分別製作出單層石墨烯薄膜複合靶材以及八層石墨烯薄膜複合靶材，透過Vulcan Petawatt高能雷射可使複合靶材放射出高能粒子束。
在複合靶材與Thomson針孔之間，係配置有一個如第35圖所揭示的複合粒子偵檢堆疊250，複合粒子偵檢堆疊250包含多層輻射變色軟片(Radiochromic Films、RCFs)252之堆疊排列、多片鋁板254、多層CR-39偵檢板(TASTRAK)256之堆疊排列、以及排列在複合粒子偵檢堆疊250前端的保護性鋁箔258等，RCFs可以清楚的以顏色訊號展示出高能離子，當離子穿越RCFs時，會依照離子所攜帶能量大小在RCFs上留下不同顏色的訊號，能量越高的離子可以穿透越多層的RCFs，透過分析每一層的RCFs，就可以清楚獲得離子的分布方式與所攜帶之能量；CR-39偵檢板則可以捕捉到質子 的離子樣本、以及碳離子樣本，當離子穿越CR-39偵檢板時，會依照不同種類的離子在CR-39偵檢板上留下不同型態與大小的孔洞，經由分析CR-39偵檢板上殘留的孔洞型態與大小，即可推論所偵檢到的離子種類，能量越高的離子可以穿透越多層的CR-39偵檢板，穿插在CR-39偵檢板256之間的鋁片254可以吸收多餘的粒子能量；而具有不同電荷質量比(charge-to-mass ratio)的各種粒子，最終會在MCP留下不同弧度的各種拋物線軌跡。
本發明所提出的單層石墨烯靶材，其厚度約介於1nm~2nm，幾乎是接近一個原子層的厚度，以雷射驅動離子加速(laser-driven ion acceleration、LIA)技術領域來說，目前本技術領域中尚未出現更薄的LIA靶材，本發明所提出的單層石墨烯靶材，是目前(state of the art)在LIA技術領域中出現過最薄的靶材，本發明所提出的單層石墨烯靶材，其厚度甚至比靶材最小厚度的理論值還要小，但本發明各項測量結果，證明了單層LSG靶材的耐用性，甚至能承受採DPM構形的Vulcan Petawatt高能雷射的轟擊。
第36圖到第38圖係揭示本發明複合靶材所放射出粒子在第四層CR-39偵檢板上留下的孔洞之影像；第36圖係揭示當雷射能量為538J(焦耳)，並使用八層石墨烯薄膜做為靶材時，在第四層CR-39偵檢板上所留下的孔洞之影像；第37圖係揭示當雷射能量為532J，並使用八層石墨烯薄膜做為朝向雷射光束的前端材料、以及以8nm之PMMA做為後端材料構成複合靶材時，在第四層CR-39偵檢板上留下的孔洞之影像；第38圖係揭示當雷射能量為711J，並使用8nm之PMMA做為朝向雷射光束的前端材料、以及以八層石墨烯薄膜做為後端材料構成複合靶材時，在第四層CR-39偵檢板上留下的孔洞之影像。
第39圖與第42圖係揭示本發明複合靶材所放射出的各種粒子在MCP上形成的拋物線軌跡影像；第40圖、第41圖、第43圖、與第44圖係揭示本發明複合靶材所放射出粒子在各層CR-39偵檢板上所留下的孔洞之影像；第39圖係揭示八層石墨烯薄膜複合靶材，其放射出的質子(P)、以及各種不同價數的碳離子(C)，在MCP上形成的不同弧度的拋物線軌跡。第40圖係揭示八層石墨烯薄膜複合靶材，其放射出的質子(P)、以及各種不同價數的碳離子(C)，第1層CR-39偵檢板上留下的孔洞之影像。第41圖係揭示八層石墨烯薄膜複合靶材，其放射出的質子(P)、以及各種不同價數的碳離子(C)，第2層CR-39偵檢板上留下的孔洞之影像。
第42圖係揭示四層石墨烯薄膜複合靶材，其放射出的質子(P)、以及各種不同價數的碳離子(C)，在MCP上形成的不同弧度的拋物線軌跡。第43圖係揭示使用四層石墨烯薄膜與3nm黃金薄膜構成複合靶材時，其放射出的質子(P)、以及各種不同價數的碳離子(C)，第1層CR-39偵檢板上留下的孔洞之影像，但在第43圖所揭示的第1層CR-39偵檢板上並未發現金原子所形成之孔洞。第44圖係揭示使用四層石墨烯薄膜與3nm黃金薄膜構成複合靶材時，其放射出的質子(P)、以及各種不同價數的碳離子(C)，第2層CR-39偵檢板上留下的孔洞之影像，但在第44圖所揭示的第2層CR-39偵檢板上並未發現金原子所形成之孔洞。
本發明以上各實施例彼此之間可以任意組合或者替換，從而衍生更多之實施態樣，但皆不脫本發明所欲保護之範圍，茲進一步提供更多本發明實施例如次：總結而言，在習用技術(prior art)中通常使用單層碳氫(C-H based)靶材來進行雷射驅動離子加速(laser-plasma ion acceleration)，過程中碳氫靶材過於脆弱無法耐受高能雷射光束前驅脈衝的轟擊，在主脈衝抵達前靶材就已損壞，導致離子的加速效果不佳，因此本發明提出一種以石墨烯薄膜本身與基板共同作為複合靶材、或者以石墨烯薄膜作為支架承載任意材料薄膜的複合靶材。
本案發明解決先前技術中為了產生碳離子時，由單層碳系材料所製作的靶材太容易遭到前驅脈衝破壞的問題。本發明提出的離子產生複合靶材，是使用石墨烯薄膜做為複合靶材的主要材料，透過石墨烯材料本身所具有的超強碳原子鍵結結構做為支架，來支撐脆弱的任意材料薄膜，尤其是PMMA薄膜，使其可以耐受前驅脈衝的轟擊，並能釋放出大量的碳離子。
本發明石墨烯薄膜除了可做為支架供搭載其他任意材料薄膜做為複合靶材外，石墨烯薄膜本身也可單獨做為離子放射靶材，任意材料薄膜可以是例如：PMMA、碳氫材料薄膜(C-H based thin film)、金屬薄膜、貴金屬薄膜、金鉑薄膜(Au thin film)、高分子聚合物薄膜、有機塑膠薄膜、奈米碳管陣列薄膜、或者ZnO奈米柱陣列薄膜等，這些任意材料的奈米薄膜，可以透過例如：CVD、ALD、PVD等方式形成在LSG上。
根據本發明之偵檢結果顯示，多層石墨烯薄膜非常適合做為支架供搭載其他任意材料薄膜共同做為離子放射複合靶材，以及如果以單層石墨烯薄膜結合黃金薄膜共同做為離子放射複合靶材，經由高能雷射轟擊後可以放射出重離子(heavy ion)以及高Z離子(high Z ion)。
本發明LSG結合PMMA薄膜所形成之複合靶材，經離子化之 後可以產生高能量與高密度的碳離子，相對於多層石墨烯薄膜靶材，可以產生更高的離子通量(ion flux)，再者本發明提出的離子產生複合靶材，能有效提高靶材對高強度雷射前驅脈衝之耐受性，並大幅增加高能量碳離子之產生效率，且還可提供加速高原子質量粒子與高電荷值之機制。
實施例1：一種離子產生複合靶材，係供應用於離子放射技術，並包含：基板，其包含通孔；以及石墨烯薄膜，其係配置在該基板上並跨越該通孔，具有介於1nm到3nm的厚度與大於400μm的長邊，經離子化後釋放出質子以及碳離子其中之一。
實施例2：如實施例1所述之離子產生複合靶材，還包含以下其中之一：多層的該石墨烯薄膜，其係配置在該基板上並跨越該通孔，且每一層的該石墨烯薄膜具有介於1nm到3nm的厚度與大於400μm的長邊；碳系材料薄膜，其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有小於20nm的厚度，經離子化後釋放出質子以及碳離子其中之一；碳氫材料薄膜，其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有小於20nm的厚度，經離子化後釋放出質子或者碳離子；以及金屬材料薄膜，其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有介於1nm到4nm的厚度，經離子化後釋放出質子以及碳離子其中之一。
實施例3：如實施例2所述之離子產生複合靶材，其中該離子產生複合靶材係經由實施快速熱化學氣相沈積方法、氣相沈積方法、快速熱退火、原子層沈積方法、旋轉塗佈方法、電解氣泡法、濕式轉移法、乾式轉移法、乾燥法以及其組合其中之一而製作。
實施例4：如實施例2所述之離子產生複合靶材，其中該碳系材料薄膜係為壓克力薄膜、塑膠聚合物薄膜、以及有機聚合物薄膜其中之 一，該碳氫材料薄膜係為壓克力薄膜、塑膠聚合物薄膜、以及有機聚合物薄膜其中之一，該金屬材料薄膜係為貴金屬材料薄膜、黃金薄膜、以及銅箔薄膜其中之一。
實施例5：如實施例1所述之離子產生複合靶材，其中該離子放射技術係為雷射驅動離子加速技術、離子放射醫療技術、癌症放射治療技術、高解析放射成像技術、核融合離子放射點燃技術、高能粒子放射技術、以及實驗室天體物理技術其中之一。
實施例6：一種離子產生複合靶材，係供應用於離子放射技術，並包含：基板，其包含通孔；以及多層石墨烯薄膜，其係配置在該基板上並跨越該通孔，每一層石墨烯薄膜具有介於1nm到3nm的厚度與大於400μm的長邊，該多層石墨烯薄膜經離子化後釋放出質子以及碳離子其中之一。
實施例7：一種雷射驅動離子加速裝置，其包含：雷射，其發射雷射光束；以及複合靶材，其包含：基板，其包含提供該雷射光束通過的通孔；以及石墨烯薄膜，其係配置在該基板上並跨越該通孔，具有介於1nm到3nm的厚度與大於400μm的長邊，經該雷射光束離子化後釋放出質子以及碳離子其中之一。
實施例8：如實施例7所述之雷射驅動離子加速裝置，其中該複合靶材還包含以下其中之一：多層的該石墨烯薄膜，其係配置在該基板上並跨越該通孔，且每一層的該石墨烯薄膜具有介於1nm到3nm的厚度與大於400μm的長邊；碳系材料薄膜，其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有小於20nm的厚度，經離子化後釋放出質子以及碳離子其中之一；碳氫材料薄膜， 其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有小於20nm的厚度，經離子化後釋放出質子以及碳離子其中之一；以及金屬材料薄膜，其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有介於1nm到4nm的厚度，經離子化後釋放出質子以及金屬離子其中之一。
實施例9：如實施例7所述之雷射驅動離子加速裝置，其中該複合靶材經配置以該石墨烯薄膜作為前端而首先接觸該雷射光束，該複合靶材經配置以該碳系材料薄膜作為前端而首先接觸該雷射光束，該複合靶材經配置以該金屬材料薄膜作為前端而首先接觸該雷射光束。
實施例10：如實施例7所述之雷射驅動離子加速裝置，其中該複合靶材經配置後其表面法線與該雷射光束之間的夾角係介於0°度到60°度之間。
本發明各實施例彼此之間可以任意組合或者替換，從而衍生更多之實施態樣，但皆不脫本發明所欲保護之範圍，本發明保護範圍之界定，悉以本發明申請專利範圍所記載者為準。
100‧‧‧懸浮石墨烯複合靶材
102‧‧‧基板
104‧‧‧直通孔
106‧‧‧直通孔周圍基板
108‧‧‧石墨烯薄膜

Claims (10)

  1. 一種離子產生複合靶材，係供應用於一離子放射技術，並包含：一基板，其包含一通孔；以及一石墨烯薄膜，其係配置在該基板上並跨越該通孔，具有介於1nm到3nm的厚度，經離子化後釋放出一質子以及一碳離子其中之一。
  2. 如請求項第1項所述之離子產生複合靶材，還包含以下其中之一：多層的該石墨烯薄膜，其係配置在該基板上並跨越該通孔，且每一層的該石墨烯薄膜具有介於1nm到3nm的厚度；一碳系材料薄膜，其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有小於20nm的厚度，經離子化後釋放出一質子以及一碳離子其中之一；一碳氫材料薄膜，其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有小於20nm的厚度，經離子化後釋放出一質子以及一碳離子其中之一；以及一金屬材料薄膜，其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有介於1nm到4nm的厚度，經離子化後釋放出一質子以及一金屬離子其中之一。
  3. 如請求項第2項所述之離子產生複合靶材，其中該離子產生複合靶材係經由實施一快速熱化學氣相沈積方法、一氣相沈積方法、一快速熱退火、一原子層沈積方法、一旋轉塗佈方法、一電解氣泡法、一濕式轉移法、一乾式轉移法、一乾燥法以及其組合其中之一而製作。
  4. 如請求項第2項所述之離子產生複合靶材，其中該碳系材料薄膜係為一壓克力薄膜、一塑膠聚合物薄膜、以及一有機聚合物薄膜其中之一，該碳 氫材料薄膜係為一壓克力薄膜、一塑膠聚合物薄膜、以及一有機聚合物薄膜其中之一，該金屬材料薄膜係為一貴金屬材料薄膜、一黃金薄膜、以及一銅箔薄膜其中之一。
  5. 如請求項第1項所述之離子產生複合靶材，其中該離子放射技術係為一雷射驅動離子加速技術、一離子放射醫療技術、一癌症放射治療技術、一高解析放射成像技術、一核融合離子放射點燃技術、一高能粒子放射技術、以及一實驗室天體物理技術其中之一。
  6. 一種離子產生複合靶材，係供應用於一離子放射技術，並包含：一基板，其包含一通孔；以及多層石墨烯薄膜，其係配置在該基板上並跨越該通孔，每一層石墨烯薄膜具有介於1nm到3nm的厚度，該多層石墨烯薄膜經離子化後釋放出一質子以及一碳離子其中之一。
  7. 一種雷射驅動離子加速裝置，其包含：一雷射，其發射一雷射光束；以及一複合靶材，其包含：一基板，其包含提供該雷射光束通過的一通孔；以及一石墨烯薄膜，其係配置在該基板上並跨越該通孔，具有介於1nm到3nm的厚度，經該雷射光束離子化後釋放出一質子以及一碳離子其中之一。
  8. 如請求項第7項所述之雷射驅動離子加速裝置，其中該複合靶材還包含以 下其中之一：多層的該石墨烯薄膜，其係配置在該基板上並跨越該通孔，且每一層的該石墨烯薄膜具有介於1nm到3nm的厚度；一碳系材料薄膜，其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有小於20nm的厚度，經離子化後釋放出一質子以及一碳離子其中之一；一碳氫材料薄膜，其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有小於20nm的厚度，經離子化後釋放出一質子以及一碳離子其中之一；以及一金屬材料薄膜，其設置於該石墨烯薄膜層上，並具有介於1nm到4nm的厚度，經離子化後釋放出一質子以及一金屬離子其中之一。
  9. 如請求項第8項所述之雷射驅動離子加速裝置，其中該複合靶材經配置以該石墨烯薄膜作為前端而首先接觸該雷射光束，該複合靶材經配置以該碳系材料薄膜作為前端而首先接觸該雷射光束，該複合靶材經配置以該金屬材料薄膜作為前端而首先接觸該雷射光束。
  10. 如請求項第7項所述之雷射驅動離子加速裝置，其中該複合靶材經配置後其表面法線與該雷射光束之間的夾角係介於0°度到60°度之間。
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