Применение методов ядерной физики и ускорителей ННЦ ХФТИ для изучения состава, структуры и свойств твердых тел
Излагается применение методов ядерной физики и ускорителей ННЦ ХФТИ для решения научных и технологических задач в области физики металлов, сплавов, полупроводников, металлоксидных и магнитных материалов. Представляются результаты экспериментов по определению концентрации и распределени...
Gespeichert in:
| Datum: | 2003 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
2003
|
| Schriftenreihe: | Вопросы атомной науки и техники |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78373 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Применение методов ядерной физики и ускорителей ННЦ ХФТИ для изучения состава, структуры и свойств твердых тел / Н.А. Скакун, В.М. Шершнев // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 6. — С. 3-15. — Бібліогр.: 43 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-78373 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-783732015-03-17T03:02:20Z Применение методов ядерной физики и ускорителей ННЦ ХФТИ для изучения состава, структуры и свойств твердых тел Скакун, Н.А. Шершнев, В.М. Обзоры Излагается применение методов ядерной физики и ускорителей ННЦ ХФТИ для решения научных и технологических задач в области физики металлов, сплавов, полупроводников, металлоксидных и магнитных материалов. Представляются результаты экспериментов по определению концентрации и распределения элементов, выполненных с помощью пучков ионов водорода и гелия, ускоренных в электростатическом ускорителе до энергии 0,5…4,0 МэВ. Для идентификации элементов и изотопов использовались резонансные ядерные реакции, кулоновское и резонансное ядерное рассеяние и возбуждаемое ускоренными частицами характеристическое рентгеновское излучение. Излагаются результаты и возможности применения каналированных частиц и ориентационных эффектов для изучения локализации, структуры, ориентации, образования, распада и аннигиляции простейших дефектов, определения концентрации и распределения дефектов в радиационно нарушенных кристаллах. Викладається застосування методів ядерної фізики і прискорювачів ННЦ ХФТИ для рішення наукових і технологічних задач в області фізики металів, сплавів, напівпровідників, металооксидних та магнітних матеріалів. Приведені результати експерементів з визначення концентрації та розподілу елементів, виконаних за допомогою пучків іонів водню та гелію, що прискорюються в електростатичному прискорювачю до енергії 0,5 - 4,0 МеВ. Для ідентифікації елементів і ізотопів використовувалися резонансні ядерні реакції, кулонівське і резонансне ядерне розсіювання та збуджуване прискореними частками характеристичне рентгенівське випромінюваня. Викладаються результати і можливості застосування часток що каналюють та орієнтаційных ефектів для вивчення локалізації, структури, орієнтації, утворення, розпаду й анігіляції найпростіших дефектів, визначення концентрації і розподілу дефектів у радіаційно порушених кристалах. Nuclear physics methods and use of the NSC KIPT accelerators as applied to scientific and technological problems in the field of physics of metals, alloys, semiconductors, metal oxide and magnetic materials are surveyed. The results of the experiments relevant to determination of element concentration and distribution using 0,5 - 4,0 MeV hydrogen and helium ions of electrostatic accelerator are presented. Resonance nuclear reactions, coulomb and nuclear resonance scattering as well as X-ray radiation were used for element and isotope identification. The possibilities of application of channeling particles and oriented effects for study of localization, structure, orientation, formation, disintegration and annihilation of elementary defects, determination of defect concentration and distribution in radiation disturbed crystals. 2003 Article Применение методов ядерной физики и ускорителей ННЦ ХФТИ для изучения состава, структуры и свойств твердых тел / Н.А. Скакун, В.М. Шершнев // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 6. — С. 3-15. — Бібліогр.: 43 назв. — рос. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78373 ru Вопросы атомной науки и техники Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт» |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Обзоры Обзоры |
| spellingShingle |
Обзоры Обзоры Скакун, Н.А. Шершнев, В.М. Применение методов ядерной физики и ускорителей ННЦ ХФТИ для изучения состава, структуры и свойств твердых тел Вопросы атомной науки и техники |
| description |
Излагается применение методов ядерной физики и ускорителей ННЦ ХФТИ для решения научных и технологических задач в области физики металлов, сплавов, полупроводников, металлоксидных и магнитных материалов. Представляются результаты экспериментов по определению концентрации и распределения элементов, выполненных с помощью пучков ионов водорода и гелия, ускоренных в электростатическом ускорителе до энергии 0,5…4,0 МэВ. Для идентификации элементов и изотопов использовались резонансные ядерные реакции, кулоновское и резонансное ядерное рассеяние и возбуждаемое ускоренными частицами характеристическое рентгеновское излучение. Излагаются результаты и возможности применения каналированных частиц и ориентационных эффектов для изучения локализации, структуры, ориентации, образования, распада и аннигиляции простейших дефектов, определения концентрации и распределения дефектов в радиационно нарушенных кристаллах. |
| format |
Article |
| author |
Скакун, Н.А. Шершнев, В.М. |
| author_facet |
Скакун, Н.А. Шершнев, В.М. |
| author_sort |
Скакун, Н.А. |
| title |
Применение методов ядерной физики и ускорителей ННЦ ХФТИ для изучения состава, структуры и свойств твердых тел |
| title_short |
Применение методов ядерной физики и ускорителей ННЦ ХФТИ для изучения состава, структуры и свойств твердых тел |
| title_full |
Применение методов ядерной физики и ускорителей ННЦ ХФТИ для изучения состава, структуры и свойств твердых тел |
| title_fullStr |
Применение методов ядерной физики и ускорителей ННЦ ХФТИ для изучения состава, структуры и свойств твердых тел |
| title_full_unstemmed |
Применение методов ядерной физики и ускорителей ННЦ ХФТИ для изучения состава, структуры и свойств твердых тел |
| title_sort |
применение методов ядерной физики и ускорителей ннц хфти для изучения состава, структуры и свойств твердых тел |
| publisher |
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт» |
| publishDate |
2003 |
| topic_facet |
Обзоры |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78373 |
| citation_txt |
Применение методов ядерной физики и ускорителей ННЦ ХФТИ для изучения состава, структуры и свойств твердых тел / Н.А. Скакун, В.М. Шершнев // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 6. — С. 3-15. — Бібліогр.: 43 назв. — рос. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT skakunna primeneniemetodovâdernojfizikiiuskoritelejnnchftidlâizučeniâsostavastrukturyisvojstvtverdyhtel AT šeršnevvm primeneniemetodovâdernojfizikiiuskoritelejnnchftidlâizučeniâsostavastrukturyisvojstvtverdyhtel |
| first_indexed |
2025-07-06T02:29:35Z |
| last_indexed |
2025-07-06T02:29:35Z |
| _version_ |
1836862905430048768 |
| fulltext |
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
ОБЗОРЫ
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ И УСКОРИТЕЛЕЙ
ННЦ ХФТИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ
ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Н.А. Скакун, В.М. Шершнев
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
г. Харьков, Украина
Излагается применение методов ядерной физики и ускорителей ННЦ ХФТИ для решения научных и технологиче-
ских задач в области физики металлов, сплавов, полупроводников, металлоксидных и магнитных материалов. Представ-
ляются результаты экспериментов по определению концентрации и распределения элементов, выполненных с помощью
пучков ионов водорода и гелия, ускоренных в электростатическом ускорителе до энергии 0,5…4,0 МэВ. Для идентифи-
кации элементов и изотопов использовались резонансные ядерные реакции, кулоновское и резонансное ядерное рассея-
ние и возбуждаемое ускоренными частицами характеристическое рентгеновское излучение. Излагаются результаты и
возможности применения каналированных частиц и ориентационных эффектов для изучения локализации, структуры,
ориентации, образования, распада и аннигиляции простейших дефектов, определения концентрации и распределения де-
фектов в радиационно нарушенных кристаллах.
1. ВВЕДЕНИЕ
В основе ядерно-физических методов определе-
ния элементного состава и физико-химических
свойств веществ лежат традиционные методики, ис-
пользуемые при изучении схем распада, механизмов
ядерных реакций, определения фундаментальных
соотношений и ядерных констант.
Наиболее широкое применение для определения
состава и свойств веществ нашли методы, основан-
ные на использовании ускоренных положительно
заряженных частиц с энергией (0,4…4,0 Мэв/ну-
клон).
Характеристический рентген, генерируемый в
процессе ионизации и возбуждения атомов облучае-
мого объекта заряженными частицами; упругое и
резонансное рассеяние при кулоновском и ядерном
взаимодействии частиц с ядрами мишени; обуслов-
ленные ядерным взаимодействием ядерные реакции
– основные процессы, которые используются для
изучения состава и свойств веществ.
В мгновенно активационном анализе состава ве-
ществ наличие и концентрация элемента определя-
ются по выходу излучений, которые испускаются
непосредственно в ходе ядерных или атомных
превращений, производимых в мишени, облучаемой
частицами. Наряду с определением концентрации
элемента, важным преимуществом такого анализа
является возможность изучения распределения эле-
мента или его изотопов по глубине в объеме, в при-
поверхностном слое или на поверхности исследуе-
мого объекта.
Анализ с помощью ядерных реакций часто поз-
воляет обеспечить практически бесфоновое обнару-
жение легких элементов, поэтому с его помощью
можно измерить концентрацию и распределение
чрезвычайно малых количеств изотопа.
В мгновенно активационном анализе применяют
два подхода: способ резонанса и способ анализа по
энергии излучения. Первый используют, когда в за-
висимости сечения реакции от энергии имеется
"острый" изолированный пик (резонанс). В этом
случае концентрация и распределение изотопа по
глубине определяются по измерениям выхода излу-
чения резонансного ядерного рассеяния или резо-
нансной ядерной реакции как функции энергии ана-
лизирующего пучка частиц.
Второй подход используют, когда сечение рассе-
яния или ядерной реакции является медленно меня-
ющейся функцией энергии частиц или когда сечение
(как, например, в случае кулоновского рассеяния)
может быть представлено аналитически. В этом слу-
чае энергия анализирующего пучка поддерживается
постоянной, регистрируется энергетический спектр
излучаемых частиц, по которому определяются кон-
центрация и распределение элемента или его изото-
па.
Первая попытка использовать излучение ядер-
ных реакций в ХФТИ для решения прикладных за-
дач, по нашим данным, была предпринята в 1959 г. [
1]. В дальнейшем систематическое использование
кулоновского и резонансного рассеяний, ядерных
реакций и характеристического рентгена, возбужда-
емого протонами и ионами гелия, нашло примене-
ние в ХФТИ при решении научных и технологиче-
ских задач в области металлов, полупроводников,
магнитных материалов, в радиационной физике, фи-
_______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № 6. 3
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (84), c. 3-15.
зике металлоксидных в том числе сверхпроводящих
соединений, аналитической химии, для контроля за-
грязнения окружающей среды, медиц`ине и др. об-
ластях.
Такой широкий круг применений ядерных мето-
дов обусловлен возможностью определять сорт,
концентрацию и распределение, в том числе микро-
количеств элементов, изучать миграцию и диффу-
зионную подвижность этих элементов, их изотопов
и другие вопросы.
Качественно новый этап в использовании ионов
изотопов водорода и гелия в ХФТИ наступил после
открытия особенностей и закономерностей движе-
ния частиц в монокристаллических средах. Исполь-
зование этих закономерностей (ориентационных эф-
фектов) и каналированных ионов позволяет опреде-
лить локализацию инородных (примесных) атомов в
кристаллической решетке, а в случае многокомпо-
нентного соединения определить подрешетку, в
узлах которой располагаются, например, импланти-
рованные атомы; найти амплитуду тепловых колеба-
ний атомов; определить профиль залегания имплан-
тированных атомов, а также концентрацию и рас-
пределение по глубине созданных внедренными
атомами радиационных дефектов (основные задачи
при разработке базовых структур приборов полу-
проводниковой техники и микроэлектроники); ис-
следовать интерфейс эпитаксиальная пленка – моно-
кристаллическая подложка; изучить образование,
состав, ориентацию в решетке и закономерности
распада простейших (точечных) радиационных де-
фектов; исследовать особенности движения ионов в
упорядоченной среде и другие вопросы.
Для идентификации элементов и изотопов ис-
пользовали кулоновское и ядерное резонансное рас-
сеяние протонов и ионов гелия, возбуждаемый заря-
женными частицами характеристический рентген, а
также ядерные реакции: 3He(d,p)4He, 7Li(p,α)4He,
9Be(α,nγ)12C, 10B(α,p)12C, 11B(p,α)8Be, 13C(p,γ)14N,
15N(p,αγ)12C, 15N(p,α)12C, 18O(p,γ)19F, 18O(p,α)15N,
16O(3He,4He)15O, 16O(α,α)16O, 23Na(p,α)20Ne, 31P(p,α)
28Si.
Созданы алгоритмы и программы расчета энер-
гетических и угловых зависимостей выхода заря-
женных частиц и γ-квантов из поли- и монокристал-
лических твердых тел.
Предпосылкой и основой проведения таких ра-
бот являются данные фундаментальных исследова-
ний в области ядерной спектроскопии и структуры
атомного ядра.
В табл. 1 приведены основные данные о резо-
нансных ядерных реакциях, которые использова-
лись при идентификации изотопов легких элементов
и определении их концентрации.
Таблица 1
Данные резонансных ядерных реакций
Изотоп
элемента
Реакция Энергия
налетающих
частиц (МэВ)
Энергия
испускаемых
частиц (МэВ)
Сечение
реакции
(mb/sr)
Теплота
реакции
(МэВ)
D D(3He,p)4He 0,7 13 61 18,352
9Be 9Be(α,nγ)12C 1,94 4,43 11 5,709
11B 11B(p,α)8Be 0,7 5,57 (α0)
3,7 (α1)
0,12 (α0)
90 (α1)
8,586
5,65
13C 13C(p,γ)14N 1,748 9,17 33 7,551
15N 15N(p,α)12C 0,8 3,9 15 4,96
15N 15N(p,αγ)12C 0,9 4,43 60 0,53
18O 18O(p,α)15N 0,7 3,4 15 3,98
19F 19F(p,αγ)16O 0,87 6,1 – 7,2 40 3,46
2. МЕТАЛЛЫ
Современный анализ материалов ядерно-физиче-
скими методами основан на измерении характери-
стик частиц, которые испускаются твердым телом
при его бомбардировке ускоренными ионами. Иден-
тификация элементов осуществляется по энергии
испускаемого излучения, атомная концентрация
определяется по его интенсивности. В двухчастич-
ной ядерной реакции или при рассеянии энергия
продуктов реакции или рассеяния зависит от энер-
гии налетающей частицы, масс сталкивающихся
ядер и ядер-продуктов, угла вылета частиц и опреде-
ляется кинематическими соотношениями и энерге-
тическим балансом, которые вытекают из общих за-
конов сохранения энергии и импульса.
2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ -КОМПО-
НЕНТОВ В СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СПЛАВАХ
Ниобий-титановый сплав – доминирующий
сверхпроводник на мировом рынке. Ключевой ха-
рактеристикой сверхпроводников является величина
плотности критического тока. Для повышения этой
величины в сплав, в частности, добавляют тяжелый
элемент, например, тантал. Важным фактором воз-
действия на структуру и свойства таких материалов
также является контролируемое легирование. В
этом направлении интересные результаты получены
для
Nb-Ti сплава, легированного микродобавками
бора.
4
Для определения концентрации основных эле-
ментов использовался метод кулоновского рассея-
ния [2]. Спектрометрировали рассеянные под углом
170о ионы 4Не с начальной энергией 3 МэВ. На рис.
1 и 2 показаны экспериментальные и модельные
спектры для бинарного Nb-Ti и тройного Nb-Ti-Ta
сплавов.
Рис.1. Выход α-частиц, обратно рассеянных на
ядрах Nb-Ti сплава. (о) – эксперимент, (-) – расчет
Свойства таких сплавов существенно зависят от
концентрации как основных компонент, так и леги-
рующих добавок. Для анализа и контроля свойств
исследуемых сверхпроводников необходимы мето-
ды, определяющие количественный состав этих
сплавов с точностью не хуже 1%. С этой целью
были разработаны методы определения содержания
основных элементов (Nb, Ti, Ta) и легирующей до-
бавки (В) в деформируемых сверхпроводниках.
Рис.2. Выход α-частиц, обратно рассеянных
на ядрах Nb-Ti-Ta сплава. (о) – эксперимент,
(-) –-расчет
Программа моделирования спектра обратного
рассеяния учитывала зависимость тормозных потерь
от энергии ионов 4Не, их страгглинг, разброс пучка
ионов 4Не из ускорителя по энергии, энергетическое
разрешение спектрометра, а также изотопный состав
элементов сплава. В табл. 2 представлены результа-
ты измерений для двойного сплава, здесь же приве-
дены данные, полученные методом химического
анализа и методом электронной микрозондовой
спектроскопии.
Таблица 2
Результаты измерений Nb - Ti
№
Обратное
рассеяние
ионов
Химиче-
ский
анализ
Электронная ми-
крозондовая
спектроскопия
1 42,6 ± 0,4 46,3 44,8
2 44,8 ± 0,5 50,1 45,9
3 44,6 ± 0,5 49,4 46,3
4 45,0 ± 0,4 50,8 46.5
5 53,0 ± 0,4 55,9 53,6
Разработан метод определения микроколичеств
бора. Использовалась ядерная реакция 11B(p,α)8Be [2
]. Большое сечение этой реакции при энергии прото-
нов 0,67 МэВ позволяет достичь предела обнаруже-
ния на уровне 10-5 … 10-6ат.%. При измерениях в ка-
честве эталона использовалась сталь Д358-4 с из-
вестным содержанием бора. Показано, что в сплаве
Nb – 48,5вес.%Ti после легирования содержалось
0,09 вес.% бора.
2.2. МИКРОАНАЛИЗ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТО-
ПОВ
КИСЛОРОДА В ЦИРКОНИИ И НИОБИИ
Свойства циркония зависят от содержания в нем
элементов внедрения и, прежде всего, кислорода. В
процессе эксплуатации в контакте с теплоносителем
в поле сильных излучений элементы конструкций из
циркония или его сплавов могут накапливать кисло-
род, что может привести к деградации и разруше-
нию конструкций. С другой стороны, для обеспече-
ния длительной и надежной работы на поверхности
циркония формируют плотную окисную пленку.
Уже из этих кратких замечаний вытекала необходи-
мость исследования, в частности, диффузии кисло-
рода и процессов окисления циркония и ниобия как
факторов, лимитирующих использование этих ме-
таллов в практике.
Задачи определения малых концентраций легких
элементов и, в частности, кислорода с одновремен-
ной его локализацией по глубине в металлах для по-
лучения диффузионных профилей, а также опреде-
ление местоположения атомов кислорода в решетке
твердых металлических растворов решались путем
использования резонансных ядерных реакций.
Для изучения процесса формирования окисной
пленки и диффузии кислорода было предложено ис-
пользовать ядерные реакции 18О(р,γ)19F и 18О(р,α)15N
[3,4,5]. Металлические образцы окисляли в парах
воды и в газовой атмосфере, обогащенной изотопом
5
кислорода 18О. Первая реакция имеет изолирован-
ный резонанс при энергии протонов 1,167 МэВ. Эта
реакция использовалась для выявления распределе-
ния концентрационных профилей изотопа, в частно-
сти, в образцах иодидного циркония. Выход γ-кван-
тов реакции 18О(р,γ)19F пропорционален концентра-
ции изотопа в окисленном образце на глубине, где
происходит реакция. Изменяя энергию протонов и
измеряя выход γ-квантов при каждом значении
энергии протонов, получали профили распределе-
ния изотопа 18О по глубине в пленках окисленных
образцов.
На рис.3 показан один из таких профилей рас-
пределения изотопа. Спадающая (правая) часть кри-
вой зависимости соответствует растворенному кис-
лороду, плато – слой окисленного циркония (ZrOx).
Рис.3. Распределение кислорода в образцах
циркония, окисленных а парах воды, обогащенной
изотопом 18О
С целью выяснения механизма формирования
окисной пленки партию образцов циркония окисля-
ли в парах воды, обогащенной 18О. Другую – в парах
воды с естественным содержанием изотопов кисло-
рода, а затем эту же партию образцов доокисляли в
парах обогащенных 18О. Характер распределения 18О
в первой и второй партиях исследовали с помощью
реакции 18О(р,γ)19F [4]. Установлено, что перенос
анионов кислорода при термическом окислении
циркония является доминирующим процессом,
определяющим механизм окисления металла.
2.3. ДИФФУЗИЯ КИСЛОРОДА В ЦИРКОНИИ
И НИОБИИ
Для определения коэффициентов термической
диффузии кислорода в цирконии и ниобии исполь-
зовали реакции 18О(р,α)15N и 18О(р,γ)19F [5,6]. Пока-
зано, что температурная зависимость коэффициента
диффузии кислорода в цирконии имеет два линей-
ных участка (рис.4). В интервале температур 650…
830 оС превалирует объемная диффузия; здесь коэф-
фициент диффузии описывается уравнением D=1,05
⋅exp(-49800/RT) cм2/с. При белее низких температу-
рах зависимость описывается уравнением D=2⋅10-
5exp(-30000/RT) см2/с. При температуре вблизи
650 оС на кривой зависимости, как видно на рис.4,
наблюдается перегиб. Его появление, по нашему
мнению, обусловлено вкладом диффузии по дисло-
кациям при низких температурах.
Рис.4. Температурная зависимость коэффициента
диффузии кислорода в цирконии
Показано (рис.5) что термическая зависимость
коэффициента диффузии кислорода в ниобии в ин-
тервале температур 400…800 оС описывается урав-
нением D=0,08⋅exp(-27800/RT) см2/с.
Рис.5. Температурная зависимость коэффициента
диффузии кислорода в ниобии
2.4. ПОГРАНИЧНАЯ СЕГРЕГАЦИЯ БОРА
6
В МОЛИБДЕНЕ
Примеси внедрения, такие как углерод, кислород
и азот распределяются неравномерно между грани-
цами и телом зерна. Теоретические оценки показа-
ли, что энергия искажения решетки атомом бора, за-
нимающим тетраэдрические междоузлия, в несколь-
ко раз превышает энергию искажения решетки за
счет внедрения углерода, кислорода или азота,
поэтому следует ожидать сегрегацию в первую оче-
редь бора на границах зерен. Образование скопле-
ний атомов внедрения на границах может привести
к интеркристаллитному разрушению материала.
Проводилось исследование профиля распределе-
ния бора на границах зерен крупнокристаллических
образцов металла [7,8]. Для этой цели было предло-
жено использовать ядерную реакцию 10В(α,р)13С.
При энергии ионов гелия 1,507 МэВ на изотопе 10В
реализуется изолированный резонанс реакции с вы-
ходом протонов. Ширина резонанса составляет
всего 18 кэВ. Выход протонов из слоя, соответству-
ющего естественной ширине резонанса, и разбросу
по энергии ионов гелия пропорционален содержа-
нию бора в слое. Между начальной энергией ионов
гелия Ео и ее резонансным значением Еr на некото-
рой глубине в образце можно записать следующее
соотношение Ео=Еr+Хr⋅(dE/dx), где Xr – глубина в
приповерхностном слое материала, на которой реа-
лизуется резонанс реакции. Измерив зависимость
выхода протонов реакции от энергии ионов гелия и
воспользовавшись этим соотношением, можно по-
лучить прямые данные о распределении бора. Таким
образом, зная характеристики резонанса и восполь-
зовавшись известными данными о тормозных поте-
рях энергии ионов гелия (dE/dx), можно получить
сведения о распределении изотопа в приповерхност-
ном слое материала.
На рис.6 показана зависимость распределения
бора от глубины для двух зерен молибдена.
Рис 6. Распределение концентрации бора вглубь
от границы примыкающих друг к другу зерен
в молибдене
Основная масса бора, как следует из рисунка, за-
ключена в приповерхностном слое толщиною ≈1,5⋅
103 Å.
3. ПРИМЕНЕНИЕ КАНАЛИРОВАННЫХ
ЧАСТИЦ В ФИЗИКЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА
Термин каналирование ионов в кристалле позво-
ляет наглядно представить атомные ряды и плоско-
сти, которые направляют движущиеся ионы вдоль
«каналов» между атомными цепочками и/или плос-
костями. Заряженная частица в кристалле испытыва-
ет серию коррелированных, скользящих, «мягких»
соударений с атомами решетки если угол ψ между
направлением ее импульса и плотноупакованным
рядом атомов или атомной плоскостью не превыша-
ет некоторого критического значения (обычно ψкр≈
0,2…1о). Если ψ >ψкр, частицы выбывают из процес-
са каналирования. В теоретических и эксперимен-
тальных работах (см., например, в [9,10]) изложены
сведения о многочисленных ориентационных эф-
фектах. Характеристики каналирования частиц рас-
считываются в рамках импульсного приближения
классической механики. Результаты эксперимен-
тальных измерений могут быть с удовлетворитель-
ной точностью надежно интерпретированы количе-
ственно. Остановимся только на двух основных,
необходимых для дальнейшего изложения, особен-
ностях, на которых основано использование эффек-
та каналирования как экспериментального метода
прямого определения локализации в решетке
растворенных или ионно-внедренных инородных
атомов, а также основана возможность определения
концентрации и распределения дефектов с помощью
каналированных частиц в радиационнонарушенном
слое.
Компьютерное моделирование особеностей дви-
жения частиц между упорядоченными атомными
плоскостями показано на рис.7.
Рис. 7. Компьютерное моделирование траекто-
рий протонов в плоскостном канале (111) кристал-
ла никеля. (•) – октаэдрические междоузлия
При входе в канал небольшая часть частиц (≈3…
5%) рассеивается на «торцах» атомных плоскостей,
отклоняется на угол, больший критического и далее
движется в кристалле как в аморфной (или поликри-
7
сталлической) среде. Основная доля частиц (≈95…
97%) ориентированного пучка, испытывает
«мягкое» рассеяние на атомных плоскостях и не
приближается к центру плоскостей на расстояние ≈
0,1…0,2 Å, которое зависит от радиуса экранирова-
ния Томаса – Ферми, амплитуды тепловых колеба-
ний атомов решетки и других факторов.
Пучок как бы разделяется на каналированную и
неканалированную компоненты. Когда ψ > ψкр кана-
лирования нет. Таким образом, для ориентированно-
го пучка в кристаллле существуют разрешенные и
запрещенные области. В связи с этим, физические
процессы, для реализации которых необходимо
сближение с атомами цепочек на расстояния мень-
шие 0,1…0,2 Å (это упругое или резонансное рассея-
ние частиц, ядерная реакция, в том числе и с ино-
родными атомами, размещенными в пределах плос-
костей или цепочек, характеристический рентген)
сильно подавлены, что с неизбежностью приводит к
существенному уменьшению (почти на два порядка)
выхода излучений по сравнению со случаем неори-
ентированного пучка, – это, во-первых.
Во-вторых, плотность потока каналированных
частиц в процессе движения испытывает сильное
перераспределение в поперечной плоскости канала.
В центре канала, как это видно на рис.7, поток мо-
жет быть существенно большим, чем у плоскостей.
Поэтому выход излучений от атомов, которые
находятся за пределами плоскостей или цепочек, за-
висит от местоположения, которое они занимают в
канале. Распределение потока можно с хорошей
точностью рассчитать, что позволяет определить
расположение атомов, на которых происходит реак-
ция или рассеяние с точностью ≈0,1 Å.
3.1. МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ ПРИМЕСНЫХ АТО-
МОВ В РЕШЕТКЕ
Рассмотрим, как с помощью каналированных ча-
стиц определяется местоположение атомов внедре-
ния в ГЦК-решетке.
Существуют два типа междоузлий, в которых с
определенной вероятностью могут размещаться ато-
мы в металлах с ГЦК-решеткой. На рис.8 показаны
октаэдрические (О-позиции, координаты (½, 0, 0) и
(½, ½, ½)) и тетраэдрические (Т-позиции, координа-
ты ¼, ¼, ¼).
Рис. 8. Октаэдрические (•)-координаты (½, 0, 0),(½,
½, ½) и тетраэдрические (▲)-координаты (¼, ¼, ¼)
междоузлия в кристалле с ГЦК-решеткой
Примесные атомы с определенной вероятностью
могут занимать как те, так и другие позиции. На
рис.9 показаны проекции этих позиций на плоско-
сти, нормальные к плотноупакованным осям <100>,
<110> и плоскостям (100), (111).
Рис. 9. Проекции окта (•) и тетра (▲) междоузлий
вдоль главных плотноупакованных атомами осей
(о) и плоскостей (-) в кристаллах с ГЦК-решеткой
При ориентации направления пучка вдоль осево-
го <100> или плоскостного (100) каналов выход
продуктов близких соударений должен быть мини-
мальным для атомов, занимающих окта-позиции,
так как примесные атомы лежат в пределах цепочек
и/или плоскостей кристалла и максимален при раз-
мещении примесных атомов в тетра-позициях, по-
скольку их проекции находятся в центре канала, где
поток частиц наибольший. Уже это позволяет опре-
делить, какое из двух положений занимают атомы
примеси внедрения. Для каналов <110> и (111) рас-
положение атомов в О-позициях приведет к макси-
мальному выходу излучений, так как их проекции
находятся только в центре канала, где поток макси-
мален. Размещение атомов примеси в Т-позициях
для этих направлений приводит к двойному пику,
так как проекции Т-междоузлий смещены на неко-
торое расстояние от центра канала.
На рис.10 показана часть результатов экспери-
ментального определения позиций, которые занима-
ют атомы углерода 13С, растворенного в кристаллах
никеля [11]. Использовались кристаллы, вырезанные
в плоскости (110). Кристаллы содержали растворен-
ный изотоп углерода (0,03 ат.%13С). Одновременно
измеряли угловую зависимость выхода рассеянных
протонов и γ-квантов с энергией 4,43 МэВ из реак-
ции 13С(р,γ)14N. При энергии протонов 1,748 МэВ эта
реакция имеет сильный изолированный резонанс.
По мере совмещения направления импульса пуч-
ка протонов и оси <110> выход рассеянных на ядрах
никеля протонов, как и следовало ожидать, падает и
в минимуме составляет всего ≈3%. Выход γ-квантов
растет и при совпадении оси и направления импуль-
са превышает почти в четыре раза нормировку на
выход излучений при разориентированном направ-
лении импульса пучка по отношению к плотноупа-
кованным направлениям в кристалле.
8
Рис.10. Выход рассеянных на ядрах никеля про-
тонов (•) и γ-квантов (о) реакции 13С(р,γ)15N при уг-
ловом сканировании вблизи оси <110> и плоскости
(100) монокристаллического раствора Ni +
0,18ат.%13С.
Это, как можно легко видеть из рис.9, означает,
что атомы изотопа 13С размещаются в центре канала
<110>. Пик выхода γ-квантов узкий, поэтому можно
предположить, что атомы располагаются в О-меж-
доузлиях кристалла никеля. Дополнительную ин-
формацию дают результаты измерений зависимости
выхода γ-квантов от угла для плоскости (100). При
уменьшении угла между плоскостью (100) и им-
пульсом выход как рассеянных протонов так и γ-
квантов уменьшается, что согласуется с предполо-
жением о размещении 13С в О-пустотах, так как все
О-междоузлия, как следует из рис.9, лежат в атом-
ных плоскостях никеля (100) в то время как Т-меж-
доузлия образуют плоскости, которые располагают-
ся в середине между плоскостями никеля. Если бы
атомы 13С располагались в Т-пустотах, в измерениях
выхода γ-квантов с неизбежностью следовало бы
ожидать появления пика при совмещении плоскости
(100) и импульса пучка. Результаты сканирования в
окрестности и других плотноупакованных осей и
плоскостей показывают, что атомы 13С располагают-
ся в О-междоузлиях никеля.
3.2. ЛОКАЛИЗАЦИЯ АТОМОВ ГЕЛИЯ
В ВОЛЬФРАМЕ
Определение позиций, которые занимают им-
плантированные атомы в решетке металла, необхо-
димы для понимания и теоретического описания ме-
ханизма зарождения устойчивых радиационных де-
фектов при облучении.
Положение атомов гелия в вольфраме определя-
лось с помощью каналированных дейтронов [12].
Образцы монокристаллов вольфрама, вырезанные в
плоскости (100), легировали ионами изотопа 3Не с
энергией 18 кэВ. Позиции атомов изотопа определя-
ли с помощью молекулярного пучка дейтронов с
энергией 920 кэВ. Для идентификации атомов 3Не
использовали реакцию 3Не(d,p)4Не, которая имеет
сильный широкий резонанс при энергии дейтронов
432 кэВ. Одновременно спектрометрировали рассе-
янные на ядрах вольфрама дейтроны и протоны ре-
акции.
Атомы гелия в вольфраме могут размещаться в
узлах решетки, занимать О- или Т-междоузлия, мо-
гут быть распределены нерегулярно, образовывать
комплексы и т.д.
На рис.11 представлены результаты углового
сканирования в окрестности оси <100>. Кривые
симметричны относительно оси ординат, поэтому
приведена только их правая часть.
Рис.11. Выход рассеянных на ядрах W дейтронов (о)
и γ-квантов реакции 3Не(d,p)4Не (•) при угловом ска-
нировании в окрестности оси <100>
Из показанных на рис.11 зависимостей следует:
1). Выход протонов реакции при совмещении
направления пучка и оси <100> не на много меньше,
чем выход протонов при разориентированном пучке
относительно оси. Из этого следует, что атомы 3Не
не занимают ни О- ни Т-междоузлия.
2). Если бы атомы гелия размещались только в
узлах, зависимости выхода протонов и рассеянных
дейтронов были бы тождественны. Таким образом,
атомы гелия в основной своей массе не занимают
глубокие междоузлия и не размещаются в узлах.
3). Под углами 0,30 и 1,08о, а возможно, и под уг-
лом 1,46о наблюдаются некоторые увеличения выхо-
да протонов, что свидетельствует о регулярном раз-
мещении доли атомов гелия в решетке.
В первом приближении связь между положением
максимумов на кривой рис.11 и смещением доли
атомов 3Не от центра канала можно оценить из ра-
венства кинетической поперечной и потенциальной
энергий каналированных дейтронов, Е⋅ψ2 = U(х), где
9
ψ – угол под которым наблюдаются максимумы вы-
хода протонов; х – координата размещения атомов
3Не. В [13] показано, что энергетически устойчивы-
ми при комнатных условиях являются образования
из вакансий, окруженные атомами гелия. Результа-
ты приведенных для оси <100> и других кристалло-
графических направлений согласуются с расчетами
в предположении о формировании комплексов из
трех атомов гелия и вакансии и двух атомов гелия и
вакансии.
Установлено местоположение бора в вольфраме
[14], дейтерия и азота – в ниобии и молибдене [
15,16,17], углерода – в рении [18], кислорода и азота
– в ниобии и тантале [19,20,21,22,23].
4. ПОЛУПРОВОДНИКИ
Элементы 3-ей и 5-ой групп являются основны-
ми легирующими примесями в полупроводниковой
технике, поэтому много внимания уделяли исследо-
ванию базовых структур, допированных этими
ионами и в частности ионами бора и фосфора. Элек-
трические свойства таких структур определяются
атомами ведренного элемента, которые могут зани-
мать узлы, междоузлия и другие позиции в зависи-
мости от концентрации и распределения легирую-
щего элемента, энергии и мощности пучка, темпера-
туры внедрения и способа отжига. Данные о свой-
ствах этих структур представляют, прежде всего,
практический интерес, так как дают возможность
выбрать оптимальные условия формирования каче-
ственных базовых структур в приборах полупровод-
никовой техники и микроэлектроники.
Имплантация ионов с неизбежностью приводит к
генерации первичных радиационных дефектов, ко-
торые могут накапливаться, объединяться в более
сложные образования, что может привести к разру-
шению структуры, вплоть до полной ее аморфиза-
ции. Каналированные ионы позволяют определить
концентрацию и распределение по глубине радиаци-
онных дефектов в нарушенном слое, изучить отжиг
дефектов и т.д.
Исследовали локализацию в кремнии бора [24,25
], фосфора [26,27], натрия [28], а также радиацион-
ные нарушения, которые создают ионы этих элемен-
тов при имплантации.
4.1. МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ АТОМОВ ФОСФО-
РА В КРЕМНИИ
Фосфор – одна из основных примесей, которые
используют при легировании кремния. В образцы
кремния имплантировали ионы фосфора с энергией
50 кэВ. Идентификацию атомов фосфора осуще-
ствляли по выходу α-частиц реакции 31Р(p,α)28Si.
Использовали резонанс при энергии протонов
1,512 МэВ.
На рис.12 показана угловая зависимость выхода
α-частиц и рассеянных под углом 160о протонов при
угловом сканировании в окрестности оси <110>.
Выход α-частиц при совмещении направления
импульса пучка протонов и оси падает и в миниму-
ме незначительно превышает выход рассеянных
протонов. Близкие к показанным на рис.12 зависи-
мостям были получены и для других кристаллогра-
фических направлений. Из этих данных измерений
следовало, что большая часть атомов фосфора при
указанных на рис.12 условиях занимает узлы в ре-
шетке кремния.
Рис. 12. Ориентационные зависимости выхода
α-частиц реакции 31Р(р,α)28Si – (1) и рассеянных на
ядрах Si протонов – (2) из кремния, легированного
ионами фосфора с энергией 30 кэВ, Ф=1015см-2
На рис.13 показана доля имплантированных ато-
мов фосфора, занимающих узлы в кремнии для ряда
значений температуры имплантации фосфора [27].
Рис.13. Температурная зависимость степени ло-
кализации в узлах кристаллической решетки крем-
ния атомов фосфора. Энергия ионов фосфора
50 кэВ.
1,2 – Ф=6,0⋅1015см-2, оси <110> и <111>;
3,4 – Ф=1,8⋅1015см-2, оси <110> и <111>
4.2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ДЕ-
ФЕКТОВ И ВНЕДРЕННЫХ АТОМОВ
ПО ГЛУБИНЕ В ИМПЛАНТИРОВАННОМ
СЛОЕ
Как отмечалось выше, каналированные ионы не
могут приблизиться к атомным цепочкам или плос-
костям на расстояния меньшие радиуса экранирова-
ния Томаса – Ферми. Однако на соударения канали-
рованной частицы с атомами, которые находятся за
пределами плоскости или цепочки, такие ограниче-
ния не накладываются. Радиационносмещенные в
канал атомы, которые находились в узлах, а также
10
искажения решетки приводят к повышению выхода
при рассеянии каналированных частиц. Сравнение
выхода рассеянных частиц от нелегированного, а за-
тем облученного ионами кристалла позволяет опре-
делить концентрацию и распределение по глубине
дефектов в радиационнонарушенном слое кристал-
ла.
На рис.14 показаны типичные спектры ионов ге-
лия, рассеянных на кремнии, который был предва-
рительно облучен ионами лития с энергией 80 кэВ,
доза 5⋅1016см-2, плотность тока ионов лития 3
мкА/см-2 [29].
Рис. 14. Зависимость выхода ионов гелия, рассеян-
ных на ядрах кремния, предварительно легированно-
го ионами лития: 1 – ионы гелия не каналируют; 2 –
кремний легирован ионами лития, ионы гелия кана-
лируют вдоль оси <111>; 3 – ионы Не каналируют
вдоль оси <111>, кремний не легирован
Можно выделить четыре характерных участка на
спектре (•):
- при максимальной энергии рассеянных ионов
Не, в районе 225 канала, наблюдается максимум;
- в районе 165 канала – второй максимум, кото-
рый значительно шире и выше первого;
- между этими максимумами располагается об-
ласть (от 230 до ∼ 290 канала) с низким выходом
рассеянных частиц;
- за широким максимумом (слева) с уменьшени-
ем номера канала выход рассеянных ионов Не плав-
но увеличивается.
80 кэВ сравнительно высокая энергия, поэтому в
примыкающих к поверхности слоях кремния ионы
лития расходуют энергию, в основном, на элек-
тронное торможение, чем и объясняется слабое ра-
зупорядочение решетки кремния в приповерхност-
ном слое. В процессе торможения, когда энергия
становится меньше 15 кэВ, доля энергии ионов ли-
тия, которую он расходует на упругие соударения,
быстро растет. В результате растет и число смещен-
ных из узлов атомов кремния, что приводит к появ-
лению широкого пика. Узкий правый пик частично
обусловлен рассеянием на атомах кремния, которые
находятся в составе приповерхностной окисной по-
ликристаллической пленки SiOx. Однако площадь
под этим пиком значительно больше, чем площадь
под пиком от нелегированного кремния (о). Диффу-
зия подвижных первичных дефектов из заглублен-
ного слоя нарушений к поверхности – наиболее ве-
роятная причина увеличения приповерхностного
слоя дефектов. Поверхность является стоком для ча-
стиц смещенных из узлов атомов и вакансий, что и
приводит к формированию этого слоя.
На рис.15 показаны экспериментальные и рас-
четные профили радиационных дефектов и внедрен-
ных атомов бора [30].
Рис.15. Распределение по глубине смещенных из
узлов ионами бора (Е=50кэВ, Ф=6⋅1015см-2) атомов
кремния после отжига при температуре: 1 –
200оС; 2 – 400оС; 3 – распределение имплантирован-
ных атомов бора. Сплошная кривая – расчеты де-
фектов (по Брайсу), пунктир – распределение бора
(по Линдхарду)
Распределение дефектов получено на основании
данных, аналогичных приведенным на рис.14.
Исследовалось радиационное разрушение крем-
ния и местоположение имплантированных атомов в
зависимости от дозы, температуры, плотности пото-
ка легирующих ионов и способа отжига радиацион-
ных дефектов (термический, лазерный, электрон-
ный).
4.3. РАДИАЦИОННОЕ РАЗУПОРЯДОЧЕНИЕ
И МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ ИМПЛАНТИРОВАН-
НЫХ АТОМОВ
В ПОЛУПРОВОДНИКАХ ТИПА А3В5
Благодаря удачному сочетанию свойств, прежде
всего высокой подвижности носителей заряда и
благоприятным особенностям структуры зоны, би-
нарные полупроводниковые соединения типа А3В5
относятся к наиболее перспективным материалам в
твердотельной электронике.
Для построения общей картины поведения им-
плантированных атомов в соединениях типа А3В5
определяющее значение имеют экспериментальные
данные о локализации имплантированных легких
атомов первого и второго периодов периодической
таблицы, а также сведения о радиационнонарушен-
ных слоях этих материалов.
Получены данные о локализации внедренных
атомов изотопов элементов D, 9Be, 11B, 13C, 15N, 18O,
19F в решетке кристаллов InP, InAs, InSb [31, 32, 33].
Установлено изменение решеточного положения
примесных атомов в процессах облучения и отжига,
показана зависимость позиций примеси от энергии и
дозы внедрения. Получены экспериментальные дан-
ные об образовании и термическом распаде радиа-
ционных дефектов, генерированных в кристаллах
11
InP, InAs и InSb ионами Не, Ве, С, N и F, распреде-
лении пробегов имплантированных ионов 13С и 15N в
этих соединениях [34,35]. Указанные соединения
имеют одинаковую структуру (ZnS) и сходную
подрешетку индия, что открывало возможность по-
иска общих закономерностей и различий в их радиа-
ционных свойствах. Остановимся на некоторых при-
мерах.
4.3.1. ЛОКАЛИЗАЦИЯ АТОМОВ БЕРИЛЛИЯ
В InP, InAs И InSb
Для идентификации имплантированных с энер-
гией 30 и 100 кэВ атомов Ве в эти кристаллы ис-
пользовали реакцию 9Ве(α,nγ)12C, которая имеет ши-
рокий резонанс при энергии ионов Не 1,905 МэВ [
32,36].
Проводилось угловое сканирование в окрестно-
сти главных кристаллографических осей <100>,
<110>, <111>. Одновременно измеряли выход γ-
квантов реакции и рассеянные под углом 160о α-ча-
стицы. Один из результатов сканирования показан
на рис.16. Так как относительные выходы γ-квантов
и α-частиц после имплантации практически совпа-
дают для всех трех основных плотноупакованных
направлений, можно с уверенностью утверждать,
что уже после имплантации (до отжига радиацион-
ных дефектов) более 90% атомов Ве занимают узлы
(неожиданный экспериментальный факт). Эти ре-
зультаты явились залогом разработки и оптимиза-
ции технологии базовых структур детекторов ин-
фракрасного излучения, которые были установлены
на космических аппаратах.
Рис. 16. Ориентационные зависимости выхода рас-
сеянных α-частиц – (•) и γ-квантов реакции 9Ве(α,n
γ)12С – (х) при угловом сканировании вблизи осей
<111>, <110> и <100> в кристалле InSb, предвари-
тельно легированном ионами бериллия (Е=100 кэВ,
Ф=160 мкК)
С помощью каналированных частиц можно опре-
делить в какой из подрешеток (А или В) в соедине-
ниях типа А3В5 располагаются имплантированные
атомы, которые занимают узлы в решетке. Для кри-
сталлов InP и InAs использовался метод, основан-
ный на сравнении ширин выходов γ-квантов из реак-
ции на Ве и α-частиц, рассеянных на ядрах Р, In и
As при сканировании в окрестности главных осей.
Показано, что ширины на полувысоте выходов γ-
квантов и α-частиц, рассеянных на ядрах In, совпа-
дают, что свидетельствует о расположении атомов
Ве в узлах подрешетки индия.
Однако в случае кристалла InSb при рассеянии
α-частиц на In и Sb из-за близости масс разделить
сигналы от этих ядер оказалось затруднительным.
Для определения подрешетки, в которой находятся
атомы Ве здесь был применен метод, основанный на
экранировании цепочек <110> при рассеянии ионов
Не, которые падали на кристалл в плоскости (110)
под углами (+ψ) или (-ψ), немного большими крити-
ческого угла каналирования (рис.17).
Рис. 17. Принципиальная схема углового сканирова-
ния вблизи оси <110> в плоскости (110) кристалла
InSb
В А3В5 цепочки атомов А и В в направлении
<110> в плоскости (110) располагаются попарно так,
что расстояние между цепочками в паре в 4 раза
меньше, чем расстояние между парами цепочек (см.
рис.17). При рассеянии α-частиц под углом +ψ это
приводит к преимущественному их соударению с
ядрами А(о) и ядрами Ве (ÿ ), если они располагают-
ся в узлах подрешетки А, так как цепочки элемента
В экранированы цепочками атомов А. При рассея-
нии под углом ψ – картина обратная.
На рис.18 показана четко выраженная асиммет-
рия выхода γ-квантов реакции Ве(α,nγ)12C.
Рис. 18. Ориентационная зависимость выхода рас-
сеянных на ядрах In и Sb α-частиц (о) и γ-квантов
реакции 9Ве(α,nγ)12С при переходе через ось <110> в
плоскости (110) кристалла InSb, легированного
ионами 9Ве (Е=30 кэВ, Ф=70 мкК)
Это означает, что примесь предпочитает вакан-
сии одного сорта. Дополнительные электрические
измерения показали, что бериллий и в этом кристал-
ле занимает вакансии индия.
4.3.2. ОБРАЗОВАНИЕ И РАСПАД
РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В InP, InAs InSb
Выполнен цикл исследований радиационного на-
рушения кристаллической решетки InP, InAs и InSb
12
ионами Не, Ве, С, F и Мg. Установлено, что наи-
большая скорость накопления устойчивых дефектов
у InP, в то время как кристалл InSb разрушается
ионами слабо. Это связано с различной подвижно-
стью простейших дефектов, разной скоростью ре-
кристаллизации и размерами атомов [36]. Обнару-
жен немонотонный характер накопления поврежде-
ний у InSb, что объясняется снятием напряжений на
определенном этапе облучения в результате частич-
ной релаксации решетки.
Установлена зависимость скорости накопления
радиационных повреждений от ориентации плотно-
упакованных кристаллографических направлений
по отношению к направлению импульса пучка леги-
рующих ионов. Направление <110> показало наи-
меньшую повреждаемость для всех кристаллов и ис-
пользованных ионов.
Установлены предельные дозы аморфизации
кристаллов ионами Be, N, C и F. Показано, что для
всех кристаллов с увеличением плотности тока вне-
дряемых ионов скорость накопления дефектов рас-
тет.
Определены профили залегания внедренных ато-
мов с помощью резонансных ядерных реакций. Для
соединений А3В5 получено универсальное соотно-
шение, связывающее приведенный проективный
пробег и приведенную энергию ионов.
5. МЕТАЛЛОКСИДЫ
К числу новых перспективных материалов отно-
сятся многокомпонентные металлоксидные соедине-
ния, которые используют в магнитооптике и вычис-
лительной технике (железо-иттриевые гранаты),
квантовой электронике (корунд), являются основой
при разработке материалов с высокотемпературной
сверхпроводимостью. Свойства этих соединений су-
щественным образом зависят от концентрации и
электрических свойств примесных атомов. Для аде-
кватного описания и прогнозирования изменения
свойств таких материалов в зависимости от их со-
става необходима информация о процессах, которые
происходят в них на атомном уровне. Применение
прямых ядерно-физических методов: резонансного
рассеяния, ядерных реакций, активационного анали-
за, характеристического рентгена, возбуждаемого
ускоренными ионами, в сочетании с ориентацион-
ными эффектами, дополняет и расширяет возможно-
сти традиционных методов.
5.1. КОРУНД, ЛЕГИРОВАННЫЙ ТИТАНОМ
Получены экспериментальные данные о локали-
зации ионов трех и четырехвалентного титана в ре-
шетке корунда [37]. Для идентификации Тi исполь-
зовалась Кα-серия характеристического рентгена,
которая возбуждалась ионами Не с энергией
2,85 МэВ. Проводилось угловое сканирование в
окрестности кристаллографических осей <0001>,
<1010> и <1210> и плоскостей (0001), (1010) и
(1210). Одновременно регистрировались Кα линия
атомов титана и обратно рассеянные α-частицы от
катионной и анионной подрешеток. Характер ориен-
тационных зависимостей и проведенные аналитиче-
ские расчеты показали, что в решетке корунда ионы
титана располагаются в двух положениях: тетраэд-
рических междоузлиях и междоузлиях, которые
смещены относительно катионной подрешетки
вдоль направления <0001> на расстояние ∼0,2 Å.
5.2. ЖЕЛЕЗО-ИТТРИЕВЫЕ ГРАНАТЫ (ЖИГ)
Исследовались свойства эпитаксиальных моно-
кристаллических пленок ЖИГ, предварительно об-
лученных ионами N, B и As. Получены данные об
образовании и термическом распаде радиационных
дефектов в пленках. Найдены распределения пробе-
гов внедренных ионов и локализация атомов изото-
пов 15N и 10В. Изучено изменение локализации ато-
мов азота и бора при отжиге [38,39]. Обнаружена се-
лективность разрушения катионной и анионной
подрешеток. Показано, что легче разрушаются це-
почки из более тяжелых элементов. Термический от-
жиг радиационных дефектов и восстановление ре-
шетки наступает при температурах не менее 940оС.
Установлено соотношение между профилями ра-
диационных дефектов и внедренной примеси. Пока-
зано, что асимметрия в распределении примеси обу-
словлена радиационно стимулированной диффузи-
ей. Изучено перераспределение профиля азота после
термического отжига.
5.3. КЕРАМИКА И ВТСП
Использование ориентационных эффектов позво-
ляет получить информацию о кристаллах и пленках
высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП),
недоступную для других методов [40].
Изучали структурные особенности подрешеток
La2-xSrxCuO4, Nd2-xCexCuO4 и YBa2Cu3O7. Специфиче-
ские ядерные реакции и рассеяние ионов Не исполь-
зовалось для выделения катионной и анионной
подрешеток. Предложен метод определения пози-
ции атомов изотопов 18О и 16О [41,42]. Изучена кине-
тика кислородного обмена газовой среды (изотоп
18О) с иттрий-бариевым купратом. Исследована за-
висимость коэффициента диффузии кислорода в ин-
тервале температур 400…600 оС, и абсорбционные
свойства кислорода в керамике Yba2Cu3O7-x, которая
отжигалась в атмосфере, обогащенной изотопом 18О
[43].
Ориентационные зависимости выхода излучений
ядерных реакций использовали для определения по-
зиций бора и лития. Показано, что примесные атомы
лития локализуются вблизи цепочек La-Cu-O, атомы
бора – вблизи узлов кислородной подрешетки; ско-
рость радиационного нарушения кислородной
подрешетки выше, чем у металлической.
Монокристаллы ВТСП – удачный модельный ма-
териал для исследования физики ориентационных
явлений в сложных соединениях. Форма угловых за-
висимостей зависит от направления сканирования,
что может быть использовано для уточнения векто-
ров смещения как примесных, так и матричных ато-
мов в решетке.
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
13
На первых порах применения ускорителей и
ядерных методов в смежных с ядерной физикой об-
ластях науки и технологии существенная трудность
состояла в их специфике и радикальном отличии от
традиционных методов и подходов, что вызывало
настороженность, граничившую со скептицизмом,
со стороны ряда ученых, в том числе весьма автори-
тетных, и не только в УФТИ.
Однако убедительные результаты и очевидная
перспектива сняли фактор недоверия, что явилось
залогом интенсивного использования этого направ-
ления в таких областях как:
1. Физика металлов и сплавов.
2. Полупроводниковая техника и микроэлек-
троника.
3. Физика радиационных повреждений.
4. Физика свойств поверхности.
5. Магнитооптика и квантовая электроника.
6. Высокотемпературная сверхпроводимость.
7. Физика фазовых переходов.
8. Физика свойств простейших дефектов.
9. Интерфейс.
10. Кристаллография.
11. Физика свойств эпитаксиальных слоев.
12. Ядерная физика и др.
С помощью пучков ускоренных ионов разраба-
тываются материалы, которые в природе не суще-
ствуют и не могут быть созданы другими известны-
ми методами. Сочетание установок и методик, кото-
рые позволяют и создавать новые вещества, и иссле-
довать их свойства на атомном уровне – редкий слу-
чай в физике твердого тела.
ЛИТЕРАТУРА
1.М.И. Гусева, Е.В. Инопин, С.П. Цитко. Глубина
проникновения и характер распределения вбитых
атомов в изотопной мишени Si30 //ЖЭТФ. 1959, т.36,
с.3.
2.Н.А. Скакун, В.М. Шершнев, О.В. Черный, Г.К.
Хомяков. Определение содержания компонентов
сверхпроводящих ниобиевых–титановых сплавов
ядерно-физическими методами //Functional Materi-
als. 2003, v.10(3), p.23.
3.Н.А. Скакун, О.Н. Харьков. Исследование распре-
деления кислорода в окисных пленках с помощью
реакции 18О(р,γ)19F //Атомная энергия. 1969, т.27,
№4, с.351–352.
4.Н.А.Скакун, В.Ф. Зеленский, О.Н. Харьков. Ис-
пользование реакции 18О(р,α)15N для изучения окис-
ления металлов //Атомная энергия. 1970, в.30,№5,
с.456–458.
5.Г.Б. Федоров, Н.А. Скакун, О.Н. Харьков. Изуче-
ние диффузии кислорода в цирконии с помощью
ядерной реакции 18О(р,α)15N //ФММ. 1973, т.35, в.5,
с.978–981.
6.Г.Б. Федоров, Н.А. Скакун, Г.В. Фетисов. Изуче-
ние диффузии кислорода в ниобии с помощью изо-
топа 18О //ФММ. 1974, т.38, в.2 с.561–365.
7.О.Н. Белоус, Н.П. Дикий, Н.А. Скакун и др. При-
менение ядерной реакции для исследования погра-
ничной сегрегации бора в молибденовых сплавах
//ДАН СССР. 1980, т.255, №3, с. 562–564.
8.О.Н. Белоус, Н.П. Дикий, Н.А. Скакун и др. Ис-
следование сегрегации бора в молибденовых спла-
вах посредством ядерных реакций //Физика метал-
лов и металловедение.1980, т.52, в.3, с.544–551.
9.L.C.Feldman, J.W. Mayer and R.P. Picraux .Materi-
als Analysis by Ion Channeling. New York:”Academic”,
1982, p.1–233.
10.Л. С. Фелдман, Д.В. Майер. Основы анализа по-
верхности и тонких пленок. М.: «Мир», 1989, с.105–
128.
11.N.A. Skakun, V.A. Oleinik at al. Channeling study
of carbon atom location in Re-Cx and Ni-Cx systems.
//Nucl. Instr. Meth. B.1992, v.67, p.202–206.
12.Н.А. Скакун, Н.П. Дикий, П.А. Светашов. Ис-
следование местоположение атомов гелия в кри-
сталлической решетке вольфрама //Физика твердо-
го тела. 1979, т.21, в.10,с.3141–3143.
13.C.L. Bisson, W.D. Wilson // Inter. Conf. On Appli-
cation of Ion Beams to Metals, 1973, Albuguerque,
Plenum Press. N. Y. P.432.
14.Н.А. Скакун, П.П. Матяш, Н.П. Дикий. Исполь-
зование каналированных протонов для определения
положения атомов бора в решетке вольфрама
//УФЖ. 1974, т.19, в.10, с.1609–1612.
15. Н.А. Скакун, П.П. Матяш, Н.П. Дикий Опреде-
ление местоположения дейтерия в решетке ниобия с
помощью реакции 2D(3He,α)p //ЖТФ. 1975, XLV,
c.687–689.
16.N.A. Skakun, P.A. Svetashov Lattice location nitro-
gen in niobium using the reaction 15N(p,αγ)12C //Radia-
tion Effects Letters. 1983, v.68, p.169–-172.
17.Н.А. Скакун, П.А. Светашов, А.А. Цигикало.
Исследование местоположения атомов азота в нио-
бии и молибдене //Труды Х1-го Всесоюзного сове-
щания по физике взаимодействия заряженных ча-
стиц с монокристаллами (27-29 мая 1982, Москва,
НИИ ЯФ МГУ) с.381–386.
18.В.А. Олейник, Н.А. Скакун, П.А. Светашов. Ме-
стоположение атомов углерода в кристаллической
решетке рения //Физика металлов и металловеде-
ние. 1989, т.68, в.6,с.1213–1215.
19.П.П. Матяш, Н.П. Дикий, Н.А. Скакун Исполь-
зование каналированных протонов для определения
местоположения кислорода, растворенного в моно-
кристалле ниобия //Письма в ЖЭТФ. 1974, т.19, в.1,
с.31–33.
20.Н.А. Скакун, П.А. Светашов, А.Г. Страшинский.
Местоположение атомов азота в ниобии //ФТТ.
1984, т.26, в.10, с.3188–3190.
21.А.С. Деев, В.А. Олейник, Н.А. Скакун. Выход γ-
квантов и энергетические потери каналированных
протонов в кристалле Nb-0,2at.%15N //ВАНТ Серия:
14
«Физика радиационных повреждений и радиаци-
онное материаловедение». 1987, в.1(39), с.57–59.
22.Н.А. Скакун, П.А. Светашов и др. Локализация
атомов азота в растворе Та-0,06ат.%15N //Поверх-
ность: Физика, химия, механика. 1995, т.59, с.113–
114.
23.Н.А. Скакун, П.А. Светашов. Локализация ато-
мов кислорода в тантале //Изв. Академии Наук (Рос-
сия) Серия физическая. 1995, т. 59, с.113–114.
24.Н.А. Скакун, Н.П. Дикий. Положение атомов
бора в решетке кремния при ионном внедрении и
последующем отжиге //ФТТ. 1974, т.16, №4, с.1032–
1035.
25.Н.П. Дикий, В.А. Васильев, Н.А. Скакун. Сте-
пень замещения примесными атомами узлов кри-
сталлической решетки и разупорядочение при им-
плантации бора в Si //ФТТ. 1974, т.16, в.4, с.1064–
1068.
26.Н.А. Скакун, Н.П. Дикий и др. Исследование
местоположения атомов фосфора в кремнии с помо-
щью реакции 31Р(р,α)28Si //Физика и техника полу-
проводников. 1975, т.9, №4, с.755–756.
27.N.P. Dikij, P.A. Svetashov, N.A. Skakun. Lattice
location of phosphor atoms in silicon implanted //Phys.
Stat. Sol. 1975, v.(a)32,h.K165–K267.
28.Н.А. Скакун, Н.П. Дикий и др. Положение ато-
мов натрия имплантированного в кремний //ФТТ.
1973, т.15, №1, с.180–183.
29.Н.А. Скакун, Н.П. Дикий, П.П. Матяш. Распре-
деление по глубине и отжиг дефектов в кремнии, ле-
гированном ионами лития //ФТТ. 1975 , т.17, №3,
с.927–929.
30.Н.П. Дикий, П.П. Матяш, Н.А. Скакун. Профили
радиационных нарушений и внедренного бора в
кремнии //ФТТ.1975, т.9, №3, 592–594.
31.A.S. Deev, P.A. Svetashov, N.A. Skakun. Study of
lattice positions and ranges of nitrogen, implanted into
metals and А3В5 crystals //Radiation Effects in Solid.
1990, v.114, р.199–207.
32.И.Г. Стоянова, Н.А. Скакун, А.С. Трохин. Лока-
лизация атомов бериллия в кристаллической решет-
ке антимонида индия при ионной имплантации
//Поверхность: Физика химия механика. 1988, №8,
с.144–146.
33.A.S. Deev, Skakun at al. Localization trends of
light atoms implanted into А3В5 crystals //14th Interna-
tional Conference of Atomic collisions in solid. 28.07-
02.08.91, Salford, UK, 130–132.
34.И.Г. Стоянова, Н.А. Скакун, А.С. Трохин. Кине-
тика накопления радиационных нарушений в анти-
мониде индия при ионной имплантации магния
//Поверхность: химия, физика, механика. 1988, №3,
с.129–134.
35.Н.А. Скакун, А.С. Деев и др. Закономерности
структурных изменений и локализации имплантиро-
ванных атомов, в облученных ионами полупровод-
никовых соединениях типа А3В5 //Международная
конференция по радиационному материаловедению,
(часть 1), Алушта, 22-25. 05.1990, с.80–84.
36.Н.А. Скакун, И.Г. Стоянова, А.С. Трохин При-
менение резонансной реакции 9Ве(α,nγ)12С для опре-
деления профиля и локализации атомов бериллия,
имплантированных в антимонид индия //Материа-
лы XVI Всесоюзного совещания по физике взаимо-
действия заряженных частиц с кристаллами. 26-
28.05. 1986, М.: Изд. МГУ, с.172–174.
37.А.Ю. Гринченко и др. Местоположение ионов
трех и четырехвалентного титана в решетке корунда
//ФТТ. 1992, т.34, №1, с.249–253.
38.Н.А. Скакун, В.А. Олейник и др. Исследование
радиационных нарушений железо-иттриевых грана-
тов (ЖИГ), легированных легкими ионами //Меж-
дународная конференция по радиационному мате-
риаловедению (часть 3) Алушта: 22-25.05 1990,
с.101.
39.В.В. Немошкаленко, Б.К. Остафийчук и др. Сте-
пень структурного и магнитного разрушения в фер-
рит-гранатовых пленках, имплантированных ионами
бора //ФТТ. 1990, т.32, №3, с.707–713.
40.N.A. Ckakun, A.Ju. Grinchenko at al. Channeling
study of high-Tc superconducting single crystal sublat-
tices //Nuclear Instruments and Methods. B, 1992, v.67,
p.202–206.
41.В.И. Макаров, Р.П. Слабоспицкий, Н.А. Скакун
и др. Изучение кристаллической структуры соедине-
ния La2-xSrxCuO4 с помощью резонансной реакции
18О(р,α)15N //Физика низких температур. 1991, т.17,
№4, с.476–480.
42.Н.А. Скакун, А.Ю. Гринченко, Р.П. Слабоспиц-
кий. Применение резонансных реакций 18О(р,α)15N,
16O(3He,4He)15O для исследования монокристаллов
ВТСП //Материалы ХХ Всесоюзного совещания по
физике взаимодействия заряженных частиц с мо-
нокристаллами. М.: «МГУ»,1991, с.161–163.
43.В.М. Ажажа, Н.А. Скакун и др. Исследование
диффузии кислорода в YBa2Cu3O7-y c помощью ядер-
ной реакции 18О(р,α)15N //Сверхпроводимость: фи-
зика, химия, техника. 1990, т. 3, №5 с.913–916.
ЗАСТОСУВАННЯ МЕТОДІВ ЯДЕРНОЇ ФІЗИКИ ТА ПРИСКОРЮВАЧІВ ННЦ ХФТІ
ДЛЯ ВИВЧЕННЯ СКЛАДУ, СТРУКТУРИ І ВЛАСТИВОСТЕЙ ТВЕРДИХ ТІЛ
М.О. Скакун, В.М. Шершнєв
Викладається застосування методів ядерної фізики і прискорювачів ННЦ ХФТИ для рішення наукових і технологічних задач в
області фізики металів, сплавів, напівпровідників, металооксидних та магнітних матеріалів. Приведені результати експерементів з
визначення концентрації та розподілу елементів, виконаних за допомогою пучків іонів водню та гелію, що прискорюються в електро-
статичному прискорювачю до енергії 0,5 - 4,0 МеВ. Для ідентифікації елементів і ізотопів використовувалися резонансні ядерні реакції,
кулонівське і резонансне ядерне розсіювання та збуджуване прискореними частками характеристичне рентгенівське випромінюваня.
15
Викладаються результати і можливості застосування часток що каналюють та орієнтаційных ефектів для вивчення локалізації,
структури, орієнтації, утворення, розпаду й анігіляції найпростіших дефектів, визначення концентрації і розподілу дефектів у
радіаційно порушених кристалах.
APPLICATION OF NUCLEAR PHYSICS METHODS AND NSC KIPT ACCELERATORS FOR
STUDY OF COMPOSITION, STRUCTURE AND PROPERTIES OF SOLIDS
N.A. Skakun, V.M. Shershnev
Nuclear physics methods and use of the NSC KIPT accelerators as applied to scientific and technological problems in the field of physics of
metals, alloys, semiconductors, metal oxide and magnetic materials are surveyed. The results of the experiments relevant to determination of ele-
ment concentration and distribution using 0,5 - 4,0 MeV hydrogen and helium ions of electrostatic accelerator are presented. Resonance nuclear
reactions, coulomb and nuclear resonance scattering as well as X-ray radiation were used for element and isotope identification. The possibilities
of application of channeling particles and oriented effects for study of localization, structure, orientation, formation, disintegration and annihila-
tion of elementary defects, determination of defect concentration and distribution in radiation disturbed crystals.
16
Н.А. Скакун, В.М. Шершнев
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
г. Харьков, Украина
|