Твердотельное превращение оксида висмута под действием электронного облучения
Показана возможность твердотельных переходов оксида висмута в результате направленных смещений атомов кислорода при взаимодействии с электронами. Показана возможность твердотельных переходов оксида висмута в результате направленных смещений атомов кислорода при взаимодействии с электронами. The poss...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2002 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2002
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80081 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Твердотельное превращение оксида висмута под действием электронного облучения / К.Е. Приходько // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 3. — С. 36-40. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860259047184269312 |
|---|---|
| author | Приходько, К.Е. |
| author_facet | Приходько, К.Е. |
| citation_txt | Твердотельное превращение оксида висмута под действием электронного облучения / К.Е. Приходько // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 3. — С. 36-40. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Показана возможность твердотельных переходов оксида висмута в результате направленных смещений атомов кислорода при взаимодействии с электронами.
Показана возможность твердотельных переходов оксида висмута в результате направленных смещений атомов кислорода при взаимодействии с электронами.
The possibility of solid state transition of bismuth oxide as the result of directed displacements of oxygen atoms at interaction with electrons is demonstrated.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:53:35Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.438:539.12.04
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ОКСИДА ВИСМУТА ПОД ДЕЙ-
СТВИЕМ ЭЛЕКТРОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ
К.Е.Приходько
Российский Научный Центр «Курчатовский институт», г.Москва, Россия
Показана возможность твердотельных переходов оксида висмута в результате направленных смещений атомов кис-
лорода при взаимодействии с электронами.
Показана можливість твердотільних переходів оксиду вісмуту в результаті спрямованих зміщень атомів кисню при
взаємодії з електронами.
The possibility of solid state transition of bismuth oxide as the result of directed displacements of oxygen atoms at interac-
tion with electrons is demonstrated.
1.ВВЕДЕНИЕ
Радиационно-индуцированное преобразование
свойств твердых тел под действием облучения, обу-
словленных изменением атомного состава материа-
ла, требует осуществления преимущественного уда-
ления из объема атомов определенного сорта. В
этом процессе важно обеспечить как селективное
смещение атомов [1], так и добиться того, чтобы эти
атомы удалялись преимущественно в каком-то вы-
деленном направлении; в противном случае сложно
ожидать изменения фазового состава материала
даже в той ситуации, когда имеет место смещение
атомов только одного сорта.
Облучение материалов in situ в электронном ми-
кроскопе предоставляет широкие возможности изу-
чения как селективности, так и направленности
атомных смещений в ходе облучения. Во-первых,
варьированием энергии моноэнергитичного пучка
можно достаточно точно контролировать макси-
мальную передаваемую энергию, добиваясь селек-
тивности образования дефектов для различных ато-
мов. Во-вторых, в связи с малой массой электрона и
принципиально невысокими превышениями макси-
мально передаваемой энергии над пороговой, сме-
щающие взаимодействия электронов с ядрами име-
ют место в узком интервале углов рассеяния, а это
означает, что первично выбитый атом (ПВА) полу-
чает импульс также в узком угловом интервале, т.е.
имеет место направленность смещения ПВА.
Поскольку ПВА получает энергию, лишь незна-
чительно превышающую пороговую, большая ее
часть расходуется для его выхода за пределы объема
спонтанной рекомбинации. Остаток энергии состав-
ляет от нескольких единиц до нескольких десятков
электрон-вольт, что недостаточно для сколько-ни-
будь существенных дальнейших перемещений в ре-
шетке. Поэтому можно считать, что ПВА перемеща-
ется на расстояние, равное радиусу сферы спонтан-
ной рекомбинации в направлении полученного им-
пульса.
В случае электронного облучения материала в
микроскопе, где расходимость пучка мала, и, следо-
вательно, все электроны двигаются параллельно оп-
тической оси, выбитые атомы получают импульс
вдоль направления движения электронов, и, следо-
вательно, реализуется направленное смещение ато-
мов вперед вдоль пучка. Поскольку длины свобод-
ного пробега используемых электронов много
больше толщины образца на просвечиваемых
участках, атомы смещаются по одному и равномер-
но по объему материала. В результате длительного
облучения происходит уменьшение концентрации
атомов смещаемого типа за счет постепенного пере-
мещения вдоль пучка с последующим выходом за
пределы образца на задней его поверхности. Умень-
шение концентрации атомов в твердом теле иниции-
рует протекание как структурных, так и фазовых
превращений. Экспериментальное определение
условий протекания фазовых переходов, обуслов-
ленных изменением атомного состава материалов в
результате воздействия электронного облучения,
позволяет изучить процесс направленных атомных
смещений.
2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В работе в качестве объекта исследования был
выбран оксид висмута BiO2, напыленный при ком-
натной температуре на каменную соль, покрытую
слоем аморфного углерода. Оксид висмута состоит
из тяжелых атомов металла, для них максимальная
передаваемая энергия для электронов мала
(Tmax~2.5 эВ), а также из легких атомов кислорода,
которым электроны могут передавать энергии, пре-
вышающие пороговые энергии смещения Ed
(Tmax~32 эВ).
Облучение проводилось in situ в колонне элек-
тронного микроскопа при комнатной температуре.
Энергия электронов составляла 200 кэВ, плотность
электронного потока была 8.1 1019 эл/см2с. Тонкие
пленки оксида висмута BiO2 толщиной 200 Å были
облучены сначала до флюенса электронов
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2002, №3.
Серия: Физики радиационных повреждений и радиационное материаловедение (81), с.36-40.
36
1.5.1023 эл/см2, а затем до флюенса 3.5.1023 эл/см2.
Состояние облучаемого участка образца фиксирова-
лось как по картине микродифракции, так и по элек-
тронно-микроскопическим изображениям.
3.РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Электронно-микроскопические исследования по-
казали, что в процессе облучения происходит твер-
дотельное фазовое превращение исходного оксида
висмута BiO2 сначала в оксид висмута Bi2O3, а за-
тем, при более длительном облучении в металличе-
ский висмут. На рис.1 показаны фотографии микро-
структуры облучаемого участка образца, где видны
области исходного оксида (А), и область (В), где об-
разовался оксид с пониженным содержанием кисло-
рода Bi2O3 в результате облучения до дозы
1.5.1023 эл/см2. Как следует из рис.1,а, оксид Bi2O3
характеризуется более мелким размером зерна. На
рис.1,б показано темнопольное электронно-микро-
скопическое изображение, на котором отчетливо
видно уменьшение размера зерна в модифицирован-
ном оксиде в десять и более раз. Следует отметить,
что поскольку кристаллические рефлексы модифи-
цированного и исходного оксида лежат близко друг
от друга на электронограмме, не удается их полно-
стью разделить в связи с фиксированным размером
аппертурной диафрагмы, поэтому некоторые зерна
BiO2 видны в темном поле совместно с зернами
Bi2O3.
Пусть пленка BiO2 подвергается воздействию об-
лучения электронами с энергией 200 кэВ непосред-
ственно в микроскопе. Поскольку толщина пленки,
составляющая несколько десятков нанометров,
много меньше средней длины свободного пробега
электронов данной энергии, можно считать, что ра-
диационные повреждения в виде выбитых атомов
генерируются равномерно по толщине всей облучае-
мой области образца. Если поток электронов харак-
теризуется плотностью j, а сечение процесса выби-
вания атомов кислорода из узлов кристаллической
решетки BiO2 – σd, то скорость радиационно-инду-
цированных смещений атомов кислорода составляет
jσd. В данной работе плотность электронного потока
была 8.1.1019 эл/см2с, сечение выбивания атомов кис-
лорода из узлов кристаллической решетки рассчи-
тывалось теоретически [2] σd ~ 10 б для значения
Ed~22 эВ, что вызывало смещение атомов кислорода
в исходном оксиде со скоростью 0.8.10-3 сна/с.
Пусть при каждом смещении атом кислорода эф-
фективно перемещается на некоторое расстояние L
вдоль направления электронного пучка. Допустим,
что это среднее расстояние не зависит от величины
переданной ПВА энергии, а также от локального со-
става материала мишени. Первое допущение может
считаться вполне приемлемым, поскольку при не-
больших превышениях максимальной передаваемой
энергии над пороговой энергией смещения Ed оста-
ток энергии ПВА после удаления за пределы объема
спонтанной рекомбинации (несколько электрон-
вольт) не может приводить к значимым перемеще-
ниям ПВА в решетке. Второе допущение, по-види-
мому, также достаточно точно описывает ситуацию
в рассматриваемом случае, поскольку общее изме-
нение атомного состава в результате облучения, по
крайней мере, на начальном этапе невелико.
При равномерном смещении атомов по объему
образца, уменьшение концентрации кислорода начи-
нается со стороны поверхности, на которую падает
электронный пучок. Это происходит потому, что
любой другой элемент объема в глубине образца
или вблизи задней поверхности получает в единицу
времени ровно такое же количество атомов кислоро-
да из объема, расположенного от него на расстоянии
L ближе к передней поверхности образца, какое он
сам теряет за счет атомных смещений под действи-
ем облучения.
Изменение концентрации n смещаемых атомов
на расстоянии x от поверхности за промежуток вре-
мени dt равно:
),(),(),( txndtjtLxndtjtxdn dd ⋅−−⋅= σσ , (1)
где второй член описывает убыль концентрации ато-
мов за счет смещений в слое с координатой x, а пер-
вый – соответствующее увеличение концентрации
за счет смещений в слое с координатой x-L.
Разобьем образец на слои толщиной L параллель-
но поверхности. Тогда для самого близкого к по-
верхности слоя, назовем его нулевым слоем, первый
член разности в выражении (1) будет равен нулю,
поскольку в этот слой не поступают выбитые атомы
из предыдущего слоя. Уравнение (1) становится од-
нородным и имеет простое экспоненциальное реше-
ние:
ttj eNeNtn d λσ −− == 000 )( , (2)
где скорость генерации дефектов обозначена λ= j
σd, нижний индекс у n обозначает номер слоя, а N0 –
начальная концентрация атомов кислорода в образ-
це.
Для следующего, первого, слоя, уменьшаемое в
выражении (1) не равно нулю, и значение концен-
трации n(x-L,t) соответствует концентрации атомов
в нулевом слое (2). Уравнение для концентрации в
первом слое становится неоднородным:
teNn
dt
dn λλλ −=+ 01
1 . (3)
Уравнение Бернулли (3) имеет решение:
)1()( 01 += − teNtn t λλ . (4)
Для второго слоя дифференциальное уравнение
зависимости концентрации n2(t) от времени будет
выглядеть аналогично (3), но только в правой части
после λ окажется функция (4), поскольку увеличе-
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2002, №3.
Серия: Физики радиационных повреждений и радиационное материаловедение (81), с.36-40.
37
ние атомов кислорода во втором слое происходит за
счет выбивания атомов из первого слоя.
Очевидно, что в общем случае для слоя с номе-
ром i зависимость концентрации ni(t) от времени бу-
дет иметь вид:
( )
++= − 1...
!
)( 0 i
teNtn
i
t
i
λλ . (5)
На рис.3 представлены расчетные кривые (5), по-
казывающие изменение концентрации атомов кис-
лорода в различных слоях в зависимости от дозы об-
лучения, выраженной в с.н.а.
а)
б)
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2002, №3.
Серия: Физики радиационных повреждений и радиационное материаловедение (81), с.36-40.
38
Рис.1 Электоронно-микроскопические изображения необлученной (А) области (BiO2) и облученной (В)
области до флюенса электронов 1.5.1023 эл/см2 (Bi2O3): а) светлое поле; б) темное поле
а)
б)
в)
Рис.2 Картины микродифракции электронов: а) от исходного оксида BiO2 ;
б) от модифицированного оксида Bi2O3 , флюенс электронов 1.5.1023 эл/см2 ;
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2002, №3.
Серия: Физики радиационных повреждений и радиационное материаловедение (81), с.36-40.
39
в) от металлического висмута, флюенс электронов 3.5 1023 эл/см2
решетки в результате взаимодействия с электронами
пучка.
Как видно из внимательного анализа рис.2,б, при
флюенсе электронов ~1.5.1023 эл/см2, что соответ-
ствует дозе облучения ~2 с.н.а., на картине микроди-
фракции наблюдаются кристаллические линии мо-
дифицированного оксида висмута Bi2O3 совместно
со слабыми линиями исходного оксида BiO2, а это
свидетельствует о том, что, по крайней мере,
больше половины пленки по толщине уже перешло
в Bi2O3. Последнему оксиду соответствует уровень
уменьшения атомной концентрации кислорода 0.75
по сравнению с исходным оксидом. Это значение
показано верхней пунктирной линией на рис.3. Вид-
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2002, №3.
Серия: Физики радиационных повреждений и радиационное материаловедение (81), с.36-40.
40
0 1 2 3 4 5
Флюенс, с.н.а.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
n i
/N
0
1
0
2
3
4
5
мов кислорода по глубине образца от дозы элек-
тронного облучения. Анализ полученных данных
позволил провести количественное сопоставление
предложенных модельных представлений относи-
тельно механизмов удаления атомов кислорода с ре-
зультатами экспериментов и получить параметры
удаления единичного атома при взаимодействии с
электронами. Получено, что атомы кислорода за
один акт выбивания из узла решетки в среднем
перемещаются на расстояние L ≈30 Å вдоль направ-
ления движения электронов, что может служить
оценкой для величины радиуса сферы спонтанной
рекомбинации в оксиде висмута.
ЛИТЕРАТУРА
1. Б.А.Гурович и др.//Успехи физических наук, 2001,
т.171, №1, с.105−117.
2. W.A.McKinley, H.Feshbach .//Phys.Rev, 1948, v.74,
p.1759.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ, 2002, №3.
Серия: Физики радиационных повреждений и радиационное материаловедение (81), с.36-40.
41
Твердотельные превращения оксида висмута под действием электронного облучения
1.Введение
2.Экспериментальная часть
3.Результаты и обсуждение
4.Выводы
Литература
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80081 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:53:35Z |
| publishDate | 2002 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Приходько, К.Е. 2015-04-11T16:39:51Z 2015-04-11T16:39:51Z 2002 Твердотельное превращение оксида висмута под действием электронного облучения / К.Е. Приходько // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 3. — С. 36-40. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80081 539.438:539.12.04 Показана возможность твердотельных переходов оксида висмута в результате направленных смещений атомов кислорода при взаимодействии с электронами. Показана возможность твердотельных переходов оксида висмута в результате направленных смещений атомов кислорода при взаимодействии с электронами. The possibility of solid state transition of bismuth oxide as the result of directed displacements of oxygen atoms at interaction with electrons is demonstrated. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Твердотельное превращение оксида висмута под действием электронного облучения Article published earlier |
| spellingShingle | Твердотельное превращение оксида висмута под действием электронного облучения Приходько, К.Е. Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах |
| title | Твердотельное превращение оксида висмута под действием электронного облучения |
| title_full | Твердотельное превращение оксида висмута под действием электронного облучения |
| title_fullStr | Твердотельное превращение оксида висмута под действием электронного облучения |
| title_full_unstemmed | Твердотельное превращение оксида висмута под действием электронного облучения |
| title_short | Твердотельное превращение оксида висмута под действием электронного облучения |
| title_sort | твердотельное превращение оксида висмута под действием электронного облучения |
| topic | Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах |
| topic_facet | Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80081 |
| work_keys_str_mv | AT prihodʹkoke tverdotelʹnoeprevraŝenieoksidavismutapoddeistviemélektronnogooblučeniâ |