Изучение дефектной структуры материалов, используемых в космической, атомной и электронной промышленности

Тимошенков С.П. , Дягилев В.В., Графутин В.И. , Залужный А.Г., Зотов С.А. , Илюхина О.В., Мя-сищева Г.Г., Бритков О.М., Калугин В.В., Тимошенков Ал.С., Светлов-Прокопьев Е.П., Тимошенков Ан.С., Фунтиков Ю.В. ИЗУЧЕНИЕ ДЕФЕКТНОЙ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В КОСМИЧЕСКОЙ, АТОМНОЙ И ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Многие приборы и устройства, в том числе микроэлектромеханические системы (МЭМС) в атомной энергетике, ядерной физике, космической и электронной технике работают в зоне действия ионизирующих излучений, где интегральные дозы облучения могут достигать значительных величин (~109 рад и более). Радиационная стойкость таких устройств обуславливается изменениями физических свойств конструкционных материалов, что связано с образованием устойчивых радиационных дефектов, концентрация и свойства которых зависит от вида, интенсивности и энергии ионизирующего излучения. Поэтому исследование процессов формирования и эволюции радиационных нарушений является актуальным с точки зрения прогнозирования изменений свойств материалов и выявления методов повышения радиационной стойкости.

Кристаллический кварц широко используется в современных радиотехнических и оптических устройствах и МЭМС. Радиационное дефектообразование в кварце при облучении у - квантами, электронами, быстрыми

нейтронами, а также при реакторном облучении изучено довольно подробно. Исследовались дозовые зависимости оптических, акустических, диэлектрических характеристик [1-4]; влияние облучения на параметры решетки [2], предложены схемы дефектообразования в зависимости от типа облучения и особенностей структуры кристалла (концентрации примесей) [1]. По результатам этих исследований можно сделать вывод, что по мере увеличения энергии частиц и дозы облучения существенно возрастает доля необратимых нарушений, причем изменение кристаллической структуры происходит в сторону повышения симметрии. Так, при облучении быстрыми нейтронами изменение параметров кристаллической решетки соответствует приближению к Р - кварцу, а при флюенсе ~1020 см-2 начинается процесс аморфизации [2]. Дозовые зависимости акустического поглощения имеют следующие особенности: при дозах < 104 рад поглощение растет, в интервале доз 104^106 рад падает, при облучении у - квантами и электронами выше 106 рад акустическое поглощение монотонно растет [1].

Действие протонного облучения изучено менее подробно. Ряд теоретических работ [1,3] по исследованию механизмов дефектообразования при протонном облучении приводит к выводу об идентичности нарушений кристаллической структуры при воздействии быстрых нейтронов и протонов на кварц. Это обуславливает дополнительный интерес к исследованию радиационного дефектообразования при протонном облучении, так как позволяет моделировать радиационные повреждения материалов нейтронными пучками с энергией 14 МэВ, сопутствующих реакциям термоядерного синтеза. Показано [3], что поток быстрых нейтронов с энергией 14 МэВ по радиационным нарушениям эквивалентен воздействию протонов с энергией 17 МэВ. Ниже приведены исследования оптических и акустических характеристик, а также параметров углового распределения аннигиляционных фотонов, облученных протонами монокристаллов кварца и кремния с целью определения его дефектной структуры [5-7].

Отметим, что позитронная аннигиляционная спектроскопия (ПАС) [5,6] позволяет определять как электронную структуру совершенных кристаллов, так и различные несовершенства особо малых размеров в твердых телах и пористых системах, таких как вакансии, вакансионные кластеры и свободные объемы до одного кубического нанометра. Она включает себя в основном три метода: изучение временного распределения аннигиля-ционных фотонов (ВРАФ), углового распределения аннигиляционных фотонов (УРАФ) и доплеровского уширения аннигиляционной линии с энергией 0,511 МэВ (ДУАЛ) [5,6]. Метод ВРАФ дает сведения об электронной плотности в месте аннигиляции позитрона, а методы УРАФ и ДУАЛ дают информацию о распределении импульсов электронов. Имеются две группы этих методов. В первой группе используются медленные позитроны, позволяющие исследовать приповерхностные слои на небольших глубинах. Во второй группе используются быстрые позитроны, проникающие в исследуемый объект на большие глубины > 50 мкм и дающие информацию о типе, концентрации и распределении дефектов во всем объеме твердого тела.

Проведенные исследования [5,6] позитронной аннигиляции в компактированных нанокристаллических металлах и сплавах [6-12], а также в полупроводниках [13-20] и пористом кремнии [21] дали следующие основные результаты [5,6,10]: 1. Времена жизни позитронов в компактированных нанокристаллических металлах и

сплавах, а также в элементарных полупроводниках типа германия и кремния и в эпитаксиальных структурах на их основе, подвергнутых облучению различными элементарными частицами и у лучами, отличаются от времени жизни свободных позитронов Гу в идеальных кристаллах. 2. Доля позитронов, захваченных вакансиями,

растет с увеличением давления в случае металлов и сплавов и с увеличением дозы облучения в случае полупроводников. В первом случае это означает, что увеличение давления приводит к росту площади границ раздела (интерфейсов), а в случае полупроводников - к увеличению концентраций позитрончувствительных точечных дефектов с размерами в нанометровых диапазонах. 3. В наноматериалах на основе металлов и сплавов позитроны захватываются в основном моновакансиями и дивакансиями на границе раздела двух соседних зерен (в стыках зерен), а также нанопорами, представляющими собой стык трех соседних кристаллитов и свободными объемами отсутствующих кристаллитов. Сделать такие эти выводы позволяют измерения времен жизни позитронов в компактированных металлах и сплавах [10]. В этих образцах время жизни Г по величине близко к времени жизни Г^ в решеточных вакансиях в объеме металла. Таким образом, время жизни Г принадлежит времени жизни позитронов в вакансиях границ раздела зерен (интерфейсных вакансиях) с размерами <0,3 нм. Время жизни Г2 характеризует аннигиляцию позитронов в трехмерных вакансионных агломератах (нанопо-рах, размер которых достигает 10 удаленным атомам «0,6 — 0,8 нм). Очень большое время жизни Г3 соответствует аннигиляции позитронов в порах - свободных объемах, размер которых близок к размеру кристаллитов > 1 нм..Это дает возможность изучать структуру границ раздела, которая определяет наряду с малостью размера зерен большинство свойств наноматериалов. 4. В облученных полупроводниках и пористых системах позитроны захватываются точечными дефектами и порами (разупорядоченными областями (РО)) со средними размерами <1-10 нм в основном типа моновакансий и дивакансий и в меньшей степени тетра-, пента- и гексавакансиями и РО, как наиболее распространенными среди прочих радиационных дефектов. 5. Свободные ва-кансионные объемы, захватывающие позитроны при низких температурах в металлах и сплавах, принадлежат границам раздела, а не кристаллитам. 6. Захват позитронов кристаллитами в металлах и сплавах маловероятен, так как пластическая деформация металлов приводит к меньшему изменению времени жизни позитронов, чем при получении металлов в нанокристаллическом состоянии путем компактирования.

Таким образом установлено, что позитроны эффективно зондируют свободные объемы (в основном вакансии и дивакансии) с размерами < 1 нм как в металлах и сплавах, так и в полупроводниках и пористых системах (металлах, полупроводниках и ионных кристаллах) и нанокристаллических компактированных материалах, применяемых в нано- и микроэлектронике. .При этом другими прямыми методами, включая просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения и диффузию атомов, изучать границы раздела очень трудно. Чувствительности метода позитронной аннигиляции в отношении содержания позитрончувствительных дефектов при

этом ограничена пределами > 1014 —1015 см-3. Этот метод несомненно займет достойное место в исследованиях материалов на основе кремния в нано- и микроэлектронике в атомной и электронной промышленности.

ЛИТЕРАТУРА

1. К.П.Семенов, А.А.Фотченков // Кристаллография. 1977. Т.22. №3. С.571.

2. Л.Е.Корнеев, Е.П.Белоконева, Е.В.Колонцова и др. // Кристаллография. 1978. Т.23. №2. С.412.

3. Ш.А.Вахидов, Э.М.Гасанов, М.И.Самойлович и др. В кн. «Радиационные дефекты в кварце. Ташкент:

ФАН, 1975. С.183.

4. J.B.Mitshell, C.M.Logan, C.J.Echer // J. Nucl. Mater. 1973. Vol.48. P.139.

5. Арефьев К.П., Воробьев С.А., Прокопьев Е.П. Позитроника в радиационном материаловедении ионных

структур и полупроводников. М.: Энергоатомиздат, 1983. 88 с.

6. В.И.Графутин, Е.П.Прокопьев. // Успехи физических наук. 2002. Т.172. №1. С.67-83.

7. Е.П.Прокопьев, С.П.Тимошенков, В.И.Графутин, Г.Г.Мясищева, Ю.В.Фунтиков. Позитроника ионных кристаллов, полупроводников и металлов. М.: Ред.-изд. отдел МИЭТ (ТУ), 1999. 176 с.

8. H.-E. Schaefer. Interfaces and physical properties of nanostructures solids. // Mechanical properties and deformation behavior of materials having ultrathine microstructure / Eds, M.A.Nastasi,

D.M.Parkin, H.Gleiter. - Netherlands, Dordrechts: Kluver Academic Press, 1993. P.81-106.

9. R.M.Nieminen, M.J.Manninen. Positrons in imperfect solids: theory. // Positron in Solids./ Ed.

P.Hautojârvi. Berlin: Springer, 1979. P.145-195.

10. А.И.Гусев. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2005. С.270-292

11. R.Wurschum, H.-E. Schaefer. Interfacial free volumes and atom diffusion in nano-structured solid

// Nanomaterials: Synthesis, Properties, and Applications / Eds. A.S.Edelstein and R.C.Cammarata. Bris-

tol: Institute Physics, 1996. P.277-301.

12. А.А.Ремпель. Эфекты упорядочения в нестехиометрических соединениях внедрения. Екатеринбург:

Наука, 1992. 232 с.

13. R.Krause-Rehberg, H.S.Leipner. Positron Annihilation in Solids. Defect Studies. Berlin: Spring-

er, 1999. 378 p.

14. В.В.Батавин, А.П.Дружков, А.Е.Гарнак, А.Д,Мокрушин, Е.П.Прокопьев, Ф.Р.Хашимов // Микроэлектроника. 1980. Т.9. С.12 0.

15. Е.П. Прокопьев // Поверхность. 1993. №10. С.91-94.

16. В.А.Федоров, В.И.Прилипко, Е.П.Прокопьев, К.П.Арефьев // Известия вузов. Физика. 1982. №5. С.40-

43.

17. Арефьев К.П., Прилипко В.И., Прокопьев Е.П., Федоров В.А. // Известия вузов. Физика. 1983. №8. С.117-118.

18. В.И.Прилипко, Е.П.Прокопьев // Электронная промышленность. 1980. №11-12. С.20-22.

19. О.М.Бритков, С.А.Гаврилов, В.И.Графутин, В.В.Дягилев, В.В.Калугин, О.В.Илюхина, Г.Г.Мясищева,

E.П.Светлов-Прокопьев, С.П.Тимошенков, Ю.В.Фунтиков // Вопросы атомной науки и техники (ВАНТ) (Саров). Серия теоретическая и прикладная физика. 2004. Вып.3. С.40-50.

20. В.И.Графутин, О.В.Илюхина, В.В.Калугин, Г.Г.Мясищева, Е.П.Прокопьев, Ю.В.Фунтиков, Ан.С.Тимошенков, Д.К.Григорьев, С.П.Тимошенков. // Физика и химия обработки материалов. 2006. №5. С.5-12.

21. С.А.Гаврилов, В.И.Графутин, О.В.Илюхина, Г.Г.Мясищева, Е.П.Прокопьев, С.П.Тимошенков,

Ю.В.Фунтиков. Письма в ЖЭТФ. 2005. Т.81. Вып.11-12. С.680-682.