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イオンビームミキシングとは、イオン照射中に2つの異なる材料を隔てる界面で起こりうる原子の混合および合金化のことである。[ 1 ]これは、特に基板と堆積された表面層など、2つの多層膜を接着するプロセスとして適用される。このプロセスでは、界面での混合を促進するために、積層サンプルにイオン放射線を照射し、一般的に、特に非平衡または準安定合金と金属間化合物の間の電気的接合部を準備する手段として用いられる。イオン注入装置を使用してイオンビームミキシングを実現することができる。
イオンビーム混合から生じる特異な効果は、主に弾道効果によるものです。つまり、入射イオンは高い運動エネルギーを持ち、衝突時に標的原子にそのエネルギーが伝達されます。イオンエネルギーは1 keVから200 keV程度です。加速されたイオンエネルギーは、分子内結合、特に分子間結合を切断し、原子格子内での再配置を引き起こすのに十分な高さです。この一連の衝突は衝突カスケードと呼ばれます。この弾道過程において、入射イオンのエネルギーによって標的物質の原子や電子が数格子点離れた位置まで移動し、その結果、その位置で再配置が生じ、境界層で界面混合が起こります。 （格子再配列が入射放射線に対する単なる振動応答として現れるのではなく、永続的なものとなるためには、エネルギーが十分に高くなければならないことに注意してください。つまり、運動エネルギーは材料の閾値変位エネルギーを上回っていなければなりません。）これらの核衝突においてエネルギーが十分に高く保たれていれば、従来の高線量注入プロセスと比較して、弾道イオン注入は、従来の注入プロセスよりも低い照射線量で、より高い膜内合金濃度を実現します。
膜の混合度は、イオン質量、入射イオンビームの強度、およびイオンビームがターゲットに衝突する時間によって変化する。混合量は、時間、質量、およびイオン線量の平方根に比例する。[ 2 ]
ほとんどの注入材料の場合、 100 °C 未満の温度では イオンビームの混合は基本的に温度に依存しませんが、温度がそれを超えると混合は温度とともに指数関数的に増加します。この温度依存性は、入射イオンビームがターゲット種に依存する活性化エネルギーをバリア層に効果的に与えることの現れです。[ 3 ]
弾道イオンビーム混合は、イオン照射の結果として同時に発生する反跳混合とカスケード混合の 2 つの基本的なサブタイプに分類できます。反跳混合では、原子は単一の衝突イベントによって再配置されます。反跳混合は、ソフト衝突の結果として大きな角度で主に見られ、反跳注入を受ける原子の数はイオン線量に比例して変化します。ただし、反跳注入はイオンビーム混合における支配的なプロセスではありません。再配置された原子のほとんどは、反跳した原子が一連のより低いエネルギーの格子変位を開始する衝突カスケードの一部であり、これはカスケード混合と呼ばれます。[ 3 ]イオンビーム混合は、熱スパイク効果 によってさらに強化される可能性があります[ 4 ]
イオン混合（IM）は本質的に相互拡散と同様の結果をもたらすため、イオン混合のほとんどのモデルでは、一定期間にわたるイオンビーム注入の関数として反応層の厚さを特徴付けるために使用される有効拡散係数が用いられます。[ 3 ]
拡散モデルは基板と層の混和性を考慮していないため、混和しない系や混和性の低い系では混合度を過大評価し、混和性の高い系では混合度を過小評価します。また、この基本的な相互拡散方程式では熱力学的効果は考慮されていませんが、混合エンタルピーと対象種のモル分率を考慮した方程式でモデル化することができ、それによって温度効果（高温で顕著になる）を反映した熱力学的有効拡散係数を開発することができます。
イオンビームミキシングを合成手段として用いる場合、従来の注入法に比べて、より少ない照射量で高濃度の溶質を含む材料を製造できること、およびバンドギャップの変動や層間の拡散をより適切に制御できることが利点として挙げられます。[ 3 ] [ 5 ]また、IMのコストは、化学気相成長法（CVD）や分子線エピタキシー法（MBE）など、基板上に膜を作製する他の方法よりも低く抑えられます。
欠点としては、プロセスで開始される格子変位を完全に制御できないことが挙げられ、その結果、イオン混合サンプルに望ましくない程度の乱れが生じ、精密な格子秩序が最優先される用途には不向きになる可能性がある。イオンビームは完全に制御できず、IM効果が伝播すると衝突カスケードも制御できないため、漏洩、電子回折、放射線増強拡散（RED）、化学的マイグレーション、ミスマッチが生じる可能性がある。[ 6 ]さらに、すべてのイオン混合サンプルはアニールする必要がある。