Наноразмерные дефекты на поверхности монокристаллов Al2O3 и MgO, вызванные тяжелыми ионами высоких энергий

• Автор: Ефимов, Антон Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 107 с. : ил.

ГЛАВА 1. РАДИАЦИОННЫЕ ДЕФЕКТЫ В ДИЭЛЕКТРИКАХ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ТЯЖЕЛЫМИ ЗАРЯЖЕННЫМИ ЧАСТИЦАМИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)
1.1. Основные характеристики первичных радиационных повреждений, создаваемых тяжелыми заряженными частицами

1.2. Структурные эффекты ионизации в твердых телах

1.2.1. Модель кулоновского взрыва

1.2.2. Образование структурных нарушений в модели термического

пика

1.2.3. Радиационные повреждения в модели ударных волн

1 З.Наиоразмерные дефекты на поверхности материалов, вызываемые

тяжелыми ионами высоких энергий

1.4. Постановка задачи диссертационной работы

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Устройство облучения образцов высокоэиергетическими
ионами на циклотроне У
2.2 Метод атомно-силовой микроскопии в экспериментах по
изучению изменения топографии поверхности твердых тел
2.3 Методика подготовки образцов для облучения и послерадиационных исследований
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
3.1 Изменение рельефа поверхности А1203 и MgO при различных
условиях облучения
3.1.1 Параметры дефектов на поверхности сапфира в зависимости
от энергии и вида ионов
3.1.2 Радиационные повреждения поверхности MgO и М§Л1204 при облучении высокоэнергетическими ионами
3.1.3 Зависимость формы дефектов на поверхности А1203 от угла
падения ионов
3.1.4 Влияние температуры мишени на параметры дефектов

на поверхности сапфира
3.1.5 Зависимость морфологии нарушений поверхности А1203
от флюенса облучения
3.1.6 Изменения рельефа поверхности кристаллов А120з с существующей дефектной структурой
3.1.7 Структурные нарушения в объеме А1203 при облучении ионами висмута
3.2 Механизмы формирования наноразмерных дефектов на поверхности А12Оз и М^о
3.2.1 Оценка температуры в области ионного трека в модели термического пика
3.2.2 Влияние термоупругих напряжений и ударной волны в области
ионного трека на формирование дефектов
3.2.3 Формирование дефектов на поверхности в модели кулоновского взрыва
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Приложение 1. Расчет величины термоупругих напряжений, возникающих при взаимодействии быстрой заряженной частицы с веществом

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Последние достижения техники атомносиловой микроскопии (ACM) позволили выделить в радиационной физике твердого тела новое направление, связанное с исследованием структурных нарушений поверхности, вызываемых воздействием единичных ионов высоких энергий (Е >. 1 МэВ/а.е.м.), и их связи с радиационными повреждениями в объеме материала. Эти работы представляют значительный интерес, поскольку характерный для подобного облучения высокий уровень удельных ионизационных потерь энергии, достигающий нескольких десятков кэВ/нм, может служить источником специфических структурных нарушений, не наблюдаемых при бомбардировке другими ядерными частицами. К таким эффектам относятся, прежде всего, структурно-фазовые превращения и формирование латентных треков в объеме, и образование наноразмерных дефектов на поверхности мишени. Несмотря на постоянно растущее число экспериментальных и теоретических работ, посвященных данной тематике, в настоящее время нет единого представления о микроскопических механизмах дефектообразования и эволюции дефектной структуры в твердых телах при такой высокой плотности ионизации.
К числу материалов, в которых эффекты ионизации практически не изучены, относятся монокристаллы и керамики оксидов, карбидов и нитридов, такие, как MgO, А120з, MgAl204, SiC, TiC, AIN, Si3N4, являющихся одними из наиболее радиационно-стойких диэлектриков. Исследования их структурного отклика на воздействие высокоэнергетического ионного облучения имеет большое практическое значение для моделирования эффектов, вызываемых осколками деления, т.е. атомами с массой от 80 до 155 а.е.м. и энергией около ста МэВ, в инертных разбавителях (матрицах) композитного ядерного топлива. Необходимо отметить, что процессы, происходящие в треках осколков деления, не могут быть смоделированы с использованием достаточно широко доступных пучков тяжелых ионов с энергиями в несколько МэВ, поскольку для получения корректных результатов необходимо учитывать эффекты высокой плотности ионизации. Это возможно только при использовании высокоэнергстического ионного облучения в широком интервале масс и энергий, позволяющих варьировать различные уровни

утверждать, что каждый дефект появляется в результате воздействия единичного иона.
Необходимо отметить, что первые эксперименты по облучению образцов сапфира ИКАН ионами висмута показали зависимость формы дефектов от качества поверхности. На этих образцах, шероховатость исходной поверхности которых составляла 2-5 нм, после облучения ионами висмута с энергиями 710 и 274 МэВ наблюдались поверхностные повреждения, форма и размеры которых зависела от энергии ионов.
Дефекты, вызванные ионами висмута с энергией 710 МэВ, представляли собой хиллоки с диаметром основания ~ 15 нм и средней высотой 2 нм, окруженные внешним кольцом-«бортиком» высотой ~а 1 нм и диаметром ~ 30 нм (см. рис. 3.1, 3.2). При меньшей энергии ионов (274 МэВ) наблюдались хиллоки высотой ~ 1 нм и средним диаметром основания 22 нм, имеющие небольшое углубление в центре -диаметром ~ 5 нм и глубиной ~ 0,7 нм.
В этих первых экспериментах была обнаружена зависимость формы дефектов от уровня ионизации и получены первые данные по верхней границе плотности ионизации, необходимой для образования хиллоков. Так же эти предварительные результаты позволили оценить размеры возникающих нарушений поверхности и задать соответствующие требования к качеству исходной поверхности образцов и погрешности измерений ACM. Очевидно, что для анализа дефектов, высота которых составляет 1 — 2 нм необходимо, чтобы нерегулярность исходной поверхности была значительно ниже этих значений. В связи с этим для дальнейших исследований были использованы образцы сапфира «Сапфир-ЭЛМА» с более низкой исходной шероховатостью поверхности 0,1 - 0,2 нм. Анализ результатов, полученных на последних образцах, показал, что наблюдавшаяся на образцах ИКАН специфическая морфология хиллоков, по всей видимости, также была связана с низким качеством обработки исходной поверхности.
Для того, чтобы сделать какие-либо заключения о механизме формирования данных дефектов, необходимо изучить зависимость параметров возникающих повреждений от условий облучения. Далее мы рассмотрим зависимость характеристик нарушений поверхности от энергии и вида ионов, флюенса облучения, а так же от угла падения ионов и температуры мишеней при облучении.