Исследование влияния реакторного облучения на термоэлектрические свойства сильнолегированного n- и p-Si₀,₇Ge₀,₃

Представлены результаты исследования влияния реакторного облучения на термоэлектрические свойства сильнолегированных (концентрация носителей заряда ≥ 10²⁰ см -3 ) сплавов Si₀,₇Ge₀,₃ электронной и дырочной проводимости (легированных фосфором и бором соответственно). Показано, что «пороговые» значения...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2005
Hauptverfasser:	Бокучава, Г. В., Мургулия, Г. Э., Кашия, В. Г.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2005
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80412
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:	Исследование влияния реакторного облучения на термоэлектрические свойства сильнолегированного n- и p-Si₀,₇Ge₀,₃ / Г. В. Бокучава, Г. Э. Мургулия, В. Г. Кашия // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 3. — С. 68-72. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-80412
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-804122015-04-18T03:01:38Z Исследование влияния реакторного облучения на термоэлектрические свойства сильнолегированного n- и p-Si₀,₇Ge₀,₃ Бокучава, Г. В. Мургулия, Г. Э. Кашия, В. Г. Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Представлены результаты исследования влияния реакторного облучения на термоэлектрические свойства сильнолегированных (концентрация носителей заряда ≥ 10²⁰ см -3 ) сплавов Si₀,₇Ge₀,₃ электронной и дырочной проводимости (легированных фосфором и бором соответственно). Показано, что «пороговые» значения флюенсов быстрых нейтронов, по достижению которых в кремний-германиевых сплавах начинается резкое возрастание электросопротивления и термоэлектродвижущей силы, составляет Ф~6•10¹⁸ см⁻² для nSi₀,₇Ge₀,₃ и Ф~1•10¹⁸ см⁻² для р-Si₀,₇Ge₀,₃. Установлено, что при флюенсе нейтронов ≥10¹⁹ см⁻² и температуре облучения >873 К более радиационно-стойким является сплав n-Si₀,₇Ge₀,₃, который может быть использован в составе ядерных энергетических установок при рабочих температурах 873…973 К и флюенсах по быстрым нейтронам 10¹⁹…10²⁰ см⁻² . Представлені результати дослідження впливу реакторного випромінювання на термоелектричні властивості сильнолегованих (концентрація носіїв заряду ≥ 10²⁰см -3 ) сплавів Si0.7Ge0.3 електронної та діркової провідності (легованих фосфором та бором відповідно). Показано, що “порогові” значення флюенсів швидких нейтронів при досяженні яких в кремній-германієвих сплавах починаеться різке зростання електроопору та термоелектродвижучої сили становить Ф∼6.10¹⁸см⁻² для n-Si0.7Ge0.3 та 1.10¹⁸см⁻² для р-Si0.7Ge0.3 . Встановлено, що при флюенсі нейтронів ≥ 10¹⁹см⁻² і температурі опромінення > 873 К більш радіаційно-стійким виявляється сплав n-Si₀,₇Ge₀,₃, який може бути використаний у складі ядерних енергетичних установок при робочих температурах 873...973 К та флюенсах по швидким нейтронам 10¹⁹…10²⁰ см⁻² . We present the results of study of reactor irradiation impact on thermoelectric properties of highly dopped (the concentration of charge carriers ≥10²⁰ cm -3 ) Si0.7Ge0.3 alloys of the silicon-germanium system of electron and hole conductivity (dopped with phosphorus and boron, correspondingly). It has been shown that the “threshold” values of fast neutrons fluences on the reach of which an abrupt increase of electric resistance in silicon-germanium alloys begins and thermoelectromotive forces make Ф~6•10¹⁸ cm⁻² for n-Si0.7Ge0.3 and Ф~1•10¹⁸ cm⁻² for p-Si0.7Ge0.3.It has been established that during the fluence of neutrons ≥10¹⁹ cm⁻² and irradiation temperature >873 K the n-Si0.7Ge0.3 alloy is more radiation stable. It can be used in the composition of nuclear energetic devices at the temperatures of operation 900…1000 K and fluences on fast neutrons 10¹⁹…10²⁰ . 2005 Article Исследование влияния реакторного облучения на термоэлектрические свойства сильнолегированного n- и p-Si₀,₇Ge₀,₃ / Г. В. Бокучава, Г. Э. Мургулия, В. Г. Кашия // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 3. — С. 68-72. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80412 669.094.54 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
spellingShingle	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Бокучава, Г. В. Мургулия, Г. Э. Кашия, В. Г. Исследование влияния реакторного облучения на термоэлектрические свойства сильнолегированного n- и p-Si₀,₇Ge₀,₃ Вопросы атомной науки и техники
description	Представлены результаты исследования влияния реакторного облучения на термоэлектрические свойства сильнолегированных (концентрация носителей заряда ≥ 10²⁰ см -3 ) сплавов Si₀,₇Ge₀,₃ электронной и дырочной проводимости (легированных фосфором и бором соответственно). Показано, что «пороговые» значения флюенсов быстрых нейтронов, по достижению которых в кремний-германиевых сплавах начинается резкое возрастание электросопротивления и термоэлектродвижущей силы, составляет Ф~6•10¹⁸ см⁻² для nSi₀,₇Ge₀,₃ и Ф~1•10¹⁸ см⁻² для р-Si₀,₇Ge₀,₃. Установлено, что при флюенсе нейтронов ≥10¹⁹ см⁻² и температуре облучения >873 К более радиационно-стойким является сплав n-Si₀,₇Ge₀,₃, который может быть использован в составе ядерных энергетических установок при рабочих температурах 873…973 К и флюенсах по быстрым нейтронам 10¹⁹…10²⁰ см⁻² .
format	Article
author	Бокучава, Г. В. Мургулия, Г. Э. Кашия, В. Г.
author_facet	Бокучава, Г. В. Мургулия, Г. Э. Кашия, В. Г.
author_sort	Бокучава, Г. В.
title	Исследование влияния реакторного облучения на термоэлектрические свойства сильнолегированного n- и p-Si₀,₇Ge₀,₃
title_short	Исследование влияния реакторного облучения на термоэлектрические свойства сильнолегированного n- и p-Si₀,₇Ge₀,₃
title_full	Исследование влияния реакторного облучения на термоэлектрические свойства сильнолегированного n- и p-Si₀,₇Ge₀,₃
title_fullStr	Исследование влияния реакторного облучения на термоэлектрические свойства сильнолегированного n- и p-Si₀,₇Ge₀,₃
title_full_unstemmed	Исследование влияния реакторного облучения на термоэлектрические свойства сильнолегированного n- и p-Si₀,₇Ge₀,₃
title_sort	исследование влияния реакторного облучения на термоэлектрические свойства сильнолегированного n- и p-si₀,₇ge₀,₃
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2005
topic_facet	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80412
citation_txt	Исследование влияния реакторного облучения на термоэлектрические свойства сильнолегированного n- и p-Si₀,₇Ge₀,₃ / Г. В. Бокучава, Г. Э. Мургулия, В. Г. Кашия // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 3. — С. 68-72. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT bokučavagv issledovanievliâniâreaktornogooblučeniânatermoélektričeskiesvojstvasilʹnolegirovannogonipsi07ge03 AT murguliâgé issledovanievliâniâreaktornogooblučeniânatermoélektričeskiesvojstvasilʹnolegirovannogonipsi07ge03 AT kašiâvg issledovanievliâniâreaktornogooblučeniânatermoélektričeskiesvojstvasilʹnolegirovannogonipsi07ge03
first_indexed	2025-07-06T04:25:22Z
last_indexed	2025-07-06T04:25:22Z
_version_	1836870194608209920
fulltext	УДК 669.094.54 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕАКТОРНОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИЛЬНОЛЕГИРОВАН НОГО n- И p-Si0,7Ge0,3 Г. В. Бокучава, Г. Э. Мургулия, В. Г. Кашия Сухумский физико-технический институт им. ак. И. Векуа, г. Тбилиси, Грузия Представлены результаты исследования влияния реакторного облучения на термоэлектрические свой ства сильнолегированных (концентрация носителей заряда ≥ 1020 см-3) сплавов Si0,7Ge0,3 электронной и ды рочной проводимости (легированных фосфором и бором соответственно). Показано, что «пороговые» значе ния флюенсов быстрых нейтронов, по достижению которых в кремний-германиевых сплавах начинается резкое возрастание электросопротивления и термоэлектродвижущей силы, составляет Ф~6·1018 см-2 для n- Si0,7Ge0,3 и Ф~1·1018 см-2 для р-Si0,7Ge0,3. Установлено, что при флюенсе нейтронов ≥1019 см-2 и температуре облучения >873 К более радиационно-стойким является сплав n-Si0,7Ge0,3, который может быть использован в составе ядерных энергетических установок при рабочих температурах 873…973 К и флюенсах по быстрым нейтронам 1019…1020 см-2. На современном этапе освоения космического пространства разрабатываются разные Международ ные программы типа «Марс» и «Юпитер», которые включают запуск беспилотных и пилотируемых кос мических аппаратов, оснащённых мощными авто номными источниками тока. В подобных системах самым перспективным источником первичной энер гии считается атомный реактор, а среди устройств преобразования реакторного тепла в электричество лучше всех разработаны термоэлектрические гене раторы (ТЭГ) тока. Физический принцип работы ТЭГ основан на эффекте Зеебека, который заключа ется в возникновении электродвижущей силы в твёрдых телах под воздействием температурного градиента. В техническом отношении термоэлектри ческий генератор представляет собой высокоэффек тивную термопару или целую батарею термопар. Разработка термоэлектрических генераторов тока в Грузии началось в конце 50-х годов прошлого века, когда создание термоэлектрических автономных ис точников тока бортовых систем космических аппа ратов было поручено одному из ведущих научных организаций бывшего Советского Союза – Сухум скому физико-техническому институту (СФТИ) [1, 2]. Многочисленные теоретические и эксперимен тальные исследования, проведенные в СФТИ под научным руководством директора института, акаде мика И.Г. Гвердцители, показали, что для изготовле ния высокоэффективных термоэлектрических гене раторов наиболее перспективными являются полу проводниковые материалы на основе системы крем ний-германий (Si-Ge) [3]. Сплавы Si-Ge имеют вы сокую температуру плавления, приемлемую ширину запрещенной зоны, низкое давление насыщенных паров и хорошие физико-механические свойства, которые позволяют создать надёжные электриче ские коммутации термоэлементов. Уже в 1964 году была создана и запущена в космос первая в мире ядерная термоэлектрическая энергетическая уста новка (ЯТЭУ) под кодовым названием «Ромашка». Эта была компактная установка «встроенного» типа, в которой горячий спай ТЭГ получал тепло по теп лопроводимости непосредственно из активной зоны реактора. В термогенераторе использовался крем ний-германиевый сплав определённого состава, а коммутационные узлы были изготовлены на основе графита [1]. Скоро после «Ромашки» был разработан двух каскадный ТЭГ космического назначения под услов ным названием «Бук», который в отличие от «Ро машки» был «выносного» типа. Это значит, что электрогенерирующие элементы термогенератора располагались вне активной зоны реактора и подвод тепловой энергии горячим спаем из активной зоны реактора осуществлялся теплопередающим жидко металлическим контуром с литий-калиевой эвтекти кой. Это практически исключило влияние быстрых нейтронов и жесткого γ-излучения реактора на конструкционные элементы ТЭГ. В 1975 году после многолетних многопараметрических ведомственных испытаний «Бук» был передан в серийное произ водство и прошел эксплуатацию в составе более 30 искусственных спутников земли серии «Космос» [1]. В последние годы прошлого столетия в термо электрическом приборостроении внимание разра ботчиков вновь привлёк «встроенный» вариант ядерной термоэлектрической энергетической уста новки, который имеет целый ряд преимуществ перед ЯТЭУ с теплоносителем [1]. Однако практи ческая реализация «встроенного» варианта ЯТЭУ наталкивается на ряд проблем, главная из которых – радиационная деградация термоэлектрических свойств материалов ТЭГ [1, 3]. Именно нахождение термоэлектрических и конструкционных материалов _______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 68-72. 68 ТЭГ в сильных полях ядерной радиации, где флюен сы нейтронов могут достигать и даже превышать 1020 см-2, является характерной особенностью систем преобразования энергии на основе ядерных реакто ров. Поэтому исследование радиационной стойко сти термоэлектрических материалов и, особенно сплавов Si-Ge при высоких флюенсах, является ак туальной проблемой [3-5]. Радиационная стойкость термоэлектрических сплавов системы Si-Ge после облучения образцов при низких температурах (Т≤373 K) и флюенсе по быстрым нейтронам не выше ∼2,5⋅1018 см-2 исследо валась в работах [4, 5]. Поскольку вид и количество создаваемых облучением дефектов существенно за висит от температуры [6], то ясно, что использовать данные работ [4, 5] для оценки радиационной стой кости кремний-германиевых сплавов в области ра бочих температур (773…973 K) нельзя. В настоящей работе изложены основные ре зультаты реакторных испытаний сплавов Si0,7Ge0,3 при температурах в диапазоне 773…973 K с набо ром флюенса по быстрым нейтронам до ∼4,0⋅1020 см- 2. Исследования проводились на водо-водяном энергетическом реакторе (ВВР-М) Института ядер ных исследований (ИЯИ) Академии наук Украины в условиях, максимально приближенных к реальным условиям работы ядерных энергетических устано вок. В качестве донорной примеси образцов сильно легированного сплава Si0,7Ge0,3 с электронной прово димостью (n-типа) применялся фосфор (Р), а сплав с дырочной проводимостью (р-типа) был легирован бором (В) с различным содержанием изотопов 10B и 11B. Технология изготовления образцов и конструк ция физмакета описаны в работе [3]. Методика из мерения и обработки экспериментальных результа тов включали регистрацию величин значения коэф фициента термоэлектродвижущей силы (α) и удель ного электросопротивления (ρ) образцов до облуче ния (соответственно α0 и ρ0 ) и в процессе облучения (соответственно αφ и ρφ ) в зависимости от флюенса по быстрым нейтронам (Ф, см-2) на информационно- измерительном комплексе «Муссон». После этого строились зависимости относительного изменения коэффициента термоэлектродвижущей силы αот=αφ/ α0 и удельного электросопротивления ρот=ρφ/ρ0 об разцов от флюенса по быстрым нейтронам и прово дился соответствующий анализ. Точность измере ний α и ρ в среднем за весь период облучения со ставляла ∼8…10 %. Полученные в экспериментах некоторые ре зультаты испытаний показаны на рис. 1 и 2 в виде дозовых зависимостей α=f(Ф) и ρ=f(Ф) для элек тронных и дырочных образцов соответственно. Здесь же приведены графики изменения температу ры облучаемого образца в процессе облучения. Зна чительные скачки температуры объясняются неста бильностью энергетического режима реактора, ча стыми аварийными остановками. Вид дозовых зави симостей типичен для физики радиационных про цессов: начиная с некоторого «порогового» значе ния флюенса Ф, оба кинетических параметра возрас тают, причём ρ более чувствительно к облучению, чем α. Возрастание α и ρ в облучаемых полупроводни ках связано в основном со следующими процессами [7]: − Вводимые облучением дефекты кристаллической решётки (кластеры дефектов) создают в материа ле систему энергетических барьеров, а рассеяние носителей заряда на барьерах приводит к увели чению α и ρ. − Захват носителей заряда на пограничные энерге тические состояния, связанные с кластерами де фектов, сопровождающийся связыванием части атомов легирующей примеси в комплексы и переход их из электроактивного в нейтральное состояние, обедняет объём неповреждённой мат рицы (М) свободными носителями заряда, что приводит к увеличению α и ρ. − Наличие в материале кластеров дефектов, изоли рованных от М барьерами, приводит к уменьше нию проводящего сечения образца, искажению распределения токовых линий и возрастанию ρ. Влияние этого фактора на величину α значитель но более слабое. Рис. 1. Дозовые зависимости α и ρ в образцах элек тронного Si0,7Ge0,3 при температуре экспозиции ТЭ = 773 K Как в электронных, так и в дырочных образцах имеются аномалии в дозовых зависимостях α и ρ в области флюенсов ∼1019 см-2. Здесь монотонный рост обоих параметров сменяется падающими участками с последующим увеличением вплоть до выхода на насыщение. Насыщение дозовых зависи мостей α=f(Ф) и ρ=f(Ф) свидетельствует о переходе материала в квазиравновесное состояние, когда устанавливается динамическое равновесие между _______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 68-72. 69 процессами зарождения новых кластеров дефектов и распадом и перестройкой старых. Исследования показали, что в области флюенсов, соответствовавших аномалиям дозовых зависимо стей, резко менялась и температура экспозиции Тэ, причём на половине образцов экспериментальной сборки Тэ скачком уменьшалась (см. рис. 2,а), а на остальных – увеличивалась (см. рис. 2,б). Аномалии наблюдались и в том, и в другом случаях. Причины обнаруженных явлений пока не ясны. Можно выска зать предположение, что причиной немонотонности дозовых зависимостей электрофизических свойств облучаемых образцов является перекрытие отдель ных кластеров дефектов в материале и образование суперкластера, пронизывающего весь образец. По явление в образце второго проводящего канала должно приводить к снижению α и ρ. Оценка объёмной доли f кластеров дефектов в исследуемых сплавах при флюенсе ∼1⋅1019 см-2 дает значения f≈ 0,3…0,5, так что перекрытие кластеров дефектов может быть обосновано и в рамках теории протека ния. Косвенным свидетельством в пользу высказан ного предположения может служить и наблюдаемый сдвиг аномалий в n-Si0,7Ge0,3 в сторону больших Ф по сравнению с p-Si0,7Ge0,3. Качественно это можно объяснить особенностью легирующей примеси: изо топ 10В, составляющий ∼18 % от общего количества введённой в сплав лигатуры, имеет большое сечение захвата (∼1000 бн) тепловых нейтронов. Осколки (n, α)-реакций взаимодействия медленных нейтронов с атомами 10В обладают большой кинетической энер гией и дополнительно (по сравнению с n-Si0,7Ge0,3-сплавом) повреждают матрицу. Следова тельно, при равных флюенсах концентрация класте ров дефектов в дырочном материале будет больше, чем в электронном, и перекрытие произойдёт при меньшей дозе облучения. В работе [8] указывалось, что замена изотопа 10В на изотоп 11В позволяет зна чительно повысить радиационную стойкость сплава p-Si0,7Ge0,3. Рис. 2. Дозовые зависимости α и ρ в дырочном Si0,7Ge0,3 при ТЭ=673 K (а) и ТЭ=773 K (б) На рис. 1 и 2 пунктиром отмечены электросопро тивления образцов, измеренные при комнатной тем пературе на холодном реакторе. Видно, что на всех образцах при флюенсах Ф<1019 см-2 сохраняется ис ходный «металлический» тип температурной зави симости ρ, а при Ф>4⋅1019 см-2 он меняется на полу проводниковый. Характерно, что смена типа проис ходит в области аномалий. В p-Si0,7Ge0,3 отличия низ котемпературных и высокотемпературных значений ρ незначительны, причём, чем выше температура экспозиции, тем при больших флюенсах наступает насыщение. Известно [7], что повышение темпера туры экспозиции при облучении приводит к увели чению доли более стабильных кластеров дефектов, скорость образования которых замедлена по сравне нию с более стабильными. В дырочном материале, в отличие от электронного, эти закономерности про слеживаются довольно отчётливо. В электронных образцах изменение температуры экспозиции с 673 до ∼823 K практически не сдвигает момент выхода на насыщение (Ф∼1⋅1020 см-2), а сами дозовые зави симости, представленные в относительных едини цах, почти точно накладываются друг на друга. Можно предположить, что в электронном сплаве спектр кластеров дефектов в этом температурном интервале существенно не изменяется. На основе экспериментально полученных ре зультатов можно по сплавам Si0,7Ge0,3 оценить вкла ды в интегральное электросопротивление облучае мых образцов от рассеяния носителей на барьерах кластеров дефектов (ρс) и обеднения матрицы сво бодными носителями заряда (ρм). При этом измеряе мое при облучении электросопротивление ρФ можно рассматривать как сумму вкладов обоих механизмов ρФ= ρс+ρм. Расчёт проводился для ограниченного диапазона флюенсов (1⋅1018 …1⋅1019 см-2). В этом диапазоне с достаточной уверенностью можно счи тать, что измеряемый коэффициент термоэлектро движущей силы определяется свойствами неповре ждённой облучением матрицы и его рост отражает обеднение матрицы свободными носителями заряда. Тогда из графиков зависимости α=f(ρм), при фикси рованной температуре, можно определить ρм для данного флюенса и рассчитать ρс. На рис. 3. показаны дозовые зависимости ρм и ρс для электронных (а) и дырочных (б) образцов сплава Si0,7Ge0,3. Для начальных этапов облучения, когда Ф<5⋅1018 см-2, из имеющихся данных можно оценить средний радиус кластеров дефектов в сплавах _______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 68-72. 70 Si0,7Ge0,3, использовав простейшую сферическую мо дель кластеров дефектов [6]. Это имеет важное зна чение, так как согласно [9] изменение электрофизи ческих свойств материала при высокотемператур ном облучении в реакторе при ∼773 К обусловлено в основном именно образованием кластеров дефектов, в объёме которых находится до 100 атомов легиру ющей примеси, а число первично смещённых ато мов кремния и германия превышает 1000. Весь процесс смещения атомов в каскаде завер шается за время ∼10-13 с. За время ∼10-12 с получен ная кинетическая энергия передаётся решётке и только успевает реализоваться хаотическое, подоб ное жидкости, распределение атомов. При этом средний объём кластера Vc можно определить из со отношения: f = 1-exp [-VcWФ], (1) где f – объёмная концентрация кластеров дефектов в облучаемом материале; W – макроскопическое сече ние их образования (для реакторного спектра W≈ 0,16 см-1). Рис. 3. Дозовые зависимости электросопротивлений неповреждённой матрицы (ρм) и материала с кластерами дефектов (ρс ) в электронном (а) и дырочном (б) сплавах Si0,7Ge0,3 при Тэ=773 K Для эффективной проводимости σе среды с кла стерными дефектами теория эффективной среды даёт выражение σе=σф=σм 1 −Lx 1 − f  1 −Lx 1 − f  , (2) где σф – проводимость облучаемого материала; σм – проводимость неповреждённой матрицы; Lx – коэф фициент деполяризации, характеризующий форму включения (0 ≤ Lx≤I). Сравнение уравнений (1) и (2) для Vc даёт выра жение: Vc= 1 WФ ln σΦ LxσM 1 −Lx  σΦ . (3) На рис. 4 изображены кривые дозовых зависимо стей среднего радиуса кластеров, рассчитанные в предположении сферической формы кластерных де фектов (Lx=1/3). Рис. 4. Расчётные дозовые зависимости среднего радиуса кластеров rc в облученных сплавах Si0,7Ge0,3 электронного (3, 4) и дырочного (1, 2) типов при Тэ= 673 K (2, 4) и Тэ= 773 K (1, 3) Все кривые подобны и имеют максимумы при Ф ≈9⋅1017 см-2. В электронном материале кривые для температур экспозиции 673 и 773 K различаются мало, а в дырочном материале с уменьшением Тэ объём кластеров увеличивается. Уменьшение rc с увеличением Ф (при Ф>1⋅ 1018 см-2) может быть связано с распадом какого- либо кластера дефектов в материале. С другой сто роны, следует учитывать и несовершенство расчет ной модели – форма кластера дефектов, например, может сильно отличаться от сферической. Однако _______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 68-72. 71 пересчёт экспериментальных данных на эллипсои дальную форму кластера дефектов, незначительно меняя численные значения, оставляет неизменным качественный вид расчётных кривых. Изменения удельного сопротивления в зависимо сти от дозы облучения быстрыми нейтронами в рам ках теории эффективной среды проведено в работе [9], где получено, что характерные размеры класте ров дефектов равны в n- и р-Si0,7Ge0,3, соответствен но, 4 и 4,4 нм при флюенсе ~1020 см-2. Эти результа ты хорошо согласуются с полученными в данной ра боте значениями rс, если их экстраполировать в сто рону больших флюенсов. На ряде образцов сплавов Si0,7Ge0,3, облучённых в реакторе в различных температурных интервалах 673…873 К и набравших различные дозы по бы стрым нейтронам, были проведены серии изохрон ных (20 мин) отжигов с шагом через 50 К в интерва ле 473…823 К. Было установлено, что отжиг радиа ционных дефектов в этих сплавах протекает в три стадии (493, 603, 743 К), что весьма близко к соот ветствующим цифрам для чистого кремния. При этом, чем выше температура экспозиции при облу чении и больше набранный флюенс, тем выше должна быть температура восстанавливающего от жига. Полученные в этих экспериментах данные позво ляют предположить, что рабочий ресурс ЯТЭУ на кремний-германиевых сплавах можно увеличить при помощи программированных внутризонных восстанавливающих отжигов. Суммируя полученные экспериментальные ре зультаты, можно сделать следующие практически важные выводы. 1. «Пороговые» значения флюенсов быстрых нейтронов, по достижению которых в крем ний-германиевых сплавах начинается резкое возрастание электросопротивления и термо электродвижущей силы, составляют Ф≈6⋅ 1018 см-2 для электронного материала и Ф≈1⋅ 1018 см-2 для дырочного. 2. Впервые для сплавов Si0,7Ge0,3 наблюдался выход на насыщение дозовых зависимостей α=f(Ф) и ρ=f(Ф) при флюенсах Ф≈1⋅1020 см-2 в электронном материале и Ф≈2⋅1019 см-2 в дырочном. 3. К концу реакторного облучения коэффици енты термоэлектродвижущей силы увеличи лись, по сравнению с начальным значением, в ∼1,8-2 раза в электронном и в 1,4-1,7 раза в дырочном материале; электросопротивление в электронном материале увеличилось в 20- 23 раза, а в дырочном – в 6-8 раз. 4. Радиационную стойкость дырочного сплава Si0,7Ge0,3, легированного бором, можно зна чительно повысить путём замены изотопа 10В на изотоп 11В. 5. Можно предположить, что термоэлектриче ские модули из сплава Si0,7Ge0,3 в поле радиа ции реактора будут отличаться ресурсо способностью, которую можно дополнитель но увеличить путём программированных внутризонных восстанавливающих отжигов. В настоящее время УНТЦ финансирует совмест ный Украинско-Грузинский Международный Проект Gr-20j, в котором в качестве n-ветви термо элемента предполагается применение радиационно- стойкого сплава Si0,7Ge0,3. ЛИТЕРАТУРА 1.В.Г. Кашия, В.А. Шерозия, Г.В. Бокучава. Термо электрические генераторы тока космического, на земного и подводного назначения //Georgian Engineering News (Ru). 2003, № 4, с. 46–52. 2.G. Bokuchava, O. Gogishvili, V. Kashia, V. Sherozia. Thermoelectric Generator for Direct Trans formation of Low-Potential Heats into Electric Power //Bulletin of the Georgian Academy of Sciences. 2002, v. 165, N1, р. 82–85. 3.Г.Е. Мургулия. Разработка экспериментальных устройств и методов и исследование термоэлектри ческих свойств сильнолегированных кремний-гер маниевых сплавов в условиях реакторного излуче ния: Автореф. дис.…докт. техн. наук. Тбилиси, 1997. 4.Г.С. Карумидзе, Р.Ш. Метревели, Ю.А. Соловьёв. Исследование влияния реакторного облучения на термоэлектрическую эффективность сплава Si0,7Ge0,3 //Прямое преобразование тепловой энергии в элек тричество и топливные элементы. 1972, №2, с. 45–48. 5.Г.С. Карумидзе, С.П. Лалыкин, Ю.А. Соловьёв. Исследование причин понижения термоэлектриче ской эффективности сплава кремний-германий при облучении в реакторе //ИБ ППТЭЭ и ТЭ. 1974, №5, с. 58–63. 6.Р.Ф. Коноплёва, В.Л. Литвинов, Н.А. Ухин. Осо бенности радиационного повреждения полупровод ников частицами высоких энергий. М.: «Атомиздат», 1971, 75 с. 7.В.В. Болотов, А.В. Васильев. Высокотемператур ное облучение германия и кремния //Радиационные дефекты в полупроводниках /Под ред. Л. С. Смирно ва. Новосибирск: «Наука», 1979, с. 61–77. 8.И.Г. Гвердцители, Г.С. Карумидзе, Ю.А. Со ловьёв. Влияние изотопного состава легирующего элемента «В» на термоэлектрические параметры сплава Si0,7Ge0,3 в установках реакторного облучения //ИБ ППТЭЭ и ТЭ. 1970, №4, с. 55–60. 9.А.П. Долголенко. Отжиг в процессе реакторного облучения высоколегированного n- и р-Si0,7Ge0,3 //Труды XV Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материало ведению. 10-15 июня, 2002. Алушта, Крым, с. 284–285. _______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 68-72. 72 ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ РЕАКТОРНОГО ОПРОМІНЕННЯ НА ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ СИЛЬНОЛЕГОВАНОГО n- І p-Si0,7Ge0,3 Г.В. Бокучава, Г.Е. Мургулія, В.Г. Кашія Представлені результати дослідження впливу реакторного випромінювання на термоелектричні властивості сильноле гованих (концентрація носіїв заряду ≥ 1020см-3) сплавів Si0.7Ge0.3 електронної та діркової провідності (легованих фосфором та бором відповідно). Показано, що “порогові” значення флюенсів швидких нейтронів при досяженні яких в кремній-германієвих сплавах починаеться різке зростання електроопору та термоелектродвижучої сили становить Ф∼6.1018см-2 для n-Si0.7Ge0.3 та 1.1018см-2 для р-Si0.7Ge0.3 . Встановлено, що при флюенсі нейтронів ≥ 1019см-2 і температурі опромінення > 873 К більш радіа ційно-стійким виявляється сплав n-Si0,7Ge0,3, який може бути використаний у складі ядерних енергетичних установок при робочих температурах 873...973 К та флюенсах по швидким нейтронам 1019…1020 см-2. STUDY OF REACTOR IRRADIATION IMPACT ON THERMOELECTRIC PROPERTIES OF HIGHLY DOPPED n- AND p-Si0.7Ge0.3 G. V. Bokuchava, G. E. Murgulia, V. G. Kashia We present the results of study of reactor irradiation impact on thermoelectric properties of highly dopped (the concentration of charge carriers ≥1020 cm-3) Si0.7Ge0.3 alloys of the silicon-germanium system of electron and hole conductivity (dopped with phosphorus and boron, correspondingly). It has been shown that the “threshold” values of fast neutrons fluences on the reach of which an abrupt in crease of electric resistance in silicon-germanium alloys begins and thermoelectromotive forces make Ф~6·1018 cm-2 for n-Si0.7Ge0.3 and Ф~1·1018 cm-2 for p-Si0.7Ge0.3.It has been established that during the fluence of neutrons ≥1019 cm-2 and irradiation temperature >873 K the n-Si0.7Ge0.3 alloy is more radiation stable. It can be used in the composition of nuclear energetic devices at the temperatures of opera tion 900…1000 K and fluences on fast neutrons 1019…1020. _______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 68-72. 73

Исследование влияния реакторного облучения на термоэлектрические свойства сильнолегированного n- и p-Si₀,₇Ge₀,₃

Institution

Ähnliche Einträge