Cover Image

Профили дефектов, распределение и местоположение гелия, аргона, криптона и ксенона, ионно-имплантированных в никель

Методами каналирования и математического моделирования исследованы профили распределения нарушений, создаваемых в Ni при облучении ионами He⁺, Ar⁺, Kr⁺, Xe⁺ с энергией 0.2...1 МэВ в интервале доз 1·10¹⁵…1·10¹⁷ см⁻². Определены местоположение имплантированных атомов Хе в решетке монокристалла Ni, и...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Вопросы атомной науки и техники
Date:2006
Main Authors: Толстолуцкая, Г.Д., Копанец, И.Е., Неклюдов, И.М., Марченко, И.Г.
Format: Article
Language:Russian
Published: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2006
Subjects:
Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80145
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:Профили дефектов, распределение и местоположение гелия, аргона, криптона и ксенона, ионно-имплантированных в никель / Г.Д. Толстолуцкая, И.Е. Копанец, И.М. Неклюдов, И.Г. Марченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 4. — С. 52-59. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859819458639429632
author Толстолуцкая, Г.Д.
Копанец, И.Е.
Неклюдов, И.М.
Марченко, И.Г.
author_facet Толстолуцкая, Г.Д.
Копанец, И.Е.
Неклюдов, И.М.
Марченко, И.Г.
citation_txt Профили дефектов, распределение и местоположение гелия, аргона, криптона и ксенона, ионно-имплантированных в никель / Г.Д. Толстолуцкая, И.Е. Копанец, И.М. Неклюдов, И.Г. Марченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 4. — С. 52-59. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Вопросы атомной науки и техники
description Методами каналирования и математического моделирования исследованы профили распределения нарушений, создаваемых в Ni при облучении ионами He⁺, Ar⁺, Kr⁺, Xe⁺ с энергией 0.2...1 МэВ в интервале доз 1·10¹⁵…1·10¹⁷ см⁻². Определены местоположение имплантированных атомов Хе в решетке монокристалла Ni, их взаимодействие с радиационными дефектами, кинетика образования примесных комплексов и их конфигурация. Методами каналювання й математичного моделювання досліджені профілі розподілу пошкоджень, створюваних в Nі при опроміненні іонами He⁺, Ar⁺, Kr⁺, Xe⁺ з енергією 0.2...1 МэВ в інтервалі доз 1·10¹⁵…1·10¹⁷ см⁻². Визначено місце розташування імплантованих атомів Хе в ґратах монокристалла Ni, їхня взаємодія з радіаційними дефектами, кінетика утворення примесных комплексів і їхня конфігурація. By the methods of channeling and mathematical simulation the distribution profiles of damage produced in Ni under irradiation by ions of He⁺, Ar⁺, Kr⁺, Xe⁺ with energy 0.2…1 MeV in the range of doses 1·10¹⁵…1·10¹⁷ cm⁻². are investigated. Location of implanted atoms of Xe in Ni monocrystal lattice is determined, their interaction with radiation defects, kinetics of impurity complexes formation and their configuration are defined.
first_indexed 2025-12-07T15:24:28Z
format Article
fulltext ________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 4. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (89), с. 52- 59. 52 УДК 669.017:539.16 ПРОФИЛИ ДЕФЕКТОВ, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ ГЕЛИЯ, АРГОНА, КРИПТОНА И КСЕНОНА, ИОННО-ИМПЛАНТИРОВАННЫХ В НИКЕЛЬ Г.Д. Толстолуцкая, И.Е. Копанец, И.М. Неклюдов, И.Г. Марченко ННЦ «Харьковский физико-технический институт», г. Харьков, Украина Методами каналирования и математического моделирования исследованы профили распределения нарушений, создаваемых в Ni при облучении ионами He+, Ar+, Kr+, Xe+ с энергией 0.2...1 МэВ в интервале доз 1·1015…1·1017 см-2. Определены местоположение имплантированных атомов Хе в решетке монокристалла Ni, их взаимодействие с радиационными дефектами, кинетика образования примесных комплексов и их конфигурация. Радиационная стойкость материалов определяется степенью дефектности кристаллической решетки и эволюцией дефектной структуры в процессе облучения. Основную роль во всех явлениях радиационной повреждаемости, создаваемой нейтронами, играют смещения атомов кристаллической решетки за счет процессов упругого или неупругого взаимодействия налетающих частиц с атомом мишени. В 80-е годы, наряду с реакторными испытаниями, для понимания физической природы первичных процессов радиационной повреждаемости материалов получили распространение имитационные исследования с применением широкого спектра облучающих частиц, имеющих различные характеристики (массу, энергию и т. д.). Общепринятым считается, что облучение тяжелыми ионами создает повреждения, подобные тем, что наблюдаются при воздействии на материал нейтронов с энергией 14 МэВ [1]. Однако при таком облучении не учитывается роль гелия и водорода, возникающих при ядерных (n,α), (n,р)- реакциях. Моделирование одновременного воздействия создаваемых повреждений и трансмутантных газов гелия и водорода достигается при облучении на ускорителях с двойными и тройными пучками, а также на одиночных ускорителях с использованием тяжелых ионов металлов и инертных газов разной массы и заряда. Для адекватного отображения в имитационных экспериментах радиационной повреждаемости, создаваемой при нейтронном воздействии, необходимы знания о распределении по глубине повреждений, профилях распределения имплантированных частиц, местоположении примесных атомов и собственных дефектов в элементарной ячейке кристалла. Резерфордовское обратное рассеяние в сочетании с каналированием (РОРКИ) обладает уникальными возможностями для изучения совершенства структуры кристаллов, дефектообразования, типов и количества дефектов, их пространственного распределения в приповерхностных слоях, локализации в элементарной ячейке атома примеси и дефектов. В настоящей работе метод РОРКИ применен для исследования радиационных повреждений, создаваемых в Ni при облучении ионами He+, Ar+, Kr+, Xe+ с энергией 0.2...1 МэВ. Целью работы являлось детальное исследование профилей распределения повреждений и внедренных примесей при облучении мишеней в широком интервале доз и энергий частиц. Интерес к таким исследованиям связан с потребностью в экспериментальных данных о поведении тяжелых легирующих примесей и продуктов реакции деления в решетке аустенитных нержавеющих сталей. Учитывая, что никель широко используется как модельный материал для изучения нержавеющей стали, система Ni+примесь (He, Ar, Kr, Xe) в первом приближении может служить представительным объектом исследований при решении указанной задачи. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ Для исследования брали образцы монокристаллического никеля чистотой 99.999. Состав и концентрация примесей в образах следующие, ат.%: K - 1·10-5, Mg, As, Cu, Co, Mn, B - <1·10-5; Ca, Si - <1·10-4, Ba, Al, Cr, Bi, Fe - <3·10-5. Образцы в виде дисков диаметром 7 мм, вырезанных электроискровым способом перпендикулярно направлению <110>, после механической полировки подвергали электролитическому травлению по стандартной методике [2]. О совершенстве исходных кристаллов никеля свидетельствовал тот факт, что выход обратно рассеянных частиц при совпадении ориентации одной из кристаллографических осей с направлением зондирующего пучка составлял лишь 3% от выхода для неориентированного кристалла. Облучение ионами He+, Ar+, Kr+, Xe+ и исследование образцов методом резерфордовского обратного рассеяния каналированных частиц проводили на электростатическом ускорителе ЭСУ- 2 МэВ [3]. Для подавления эффекта каналирования при внедрении ионов He+, Ar+, Kr+, Xe+ образцы наклоняли под углом ~7º к оси <110>. Температуру образца во время облучения поддерживали равной примерно 300 К. Плотность тока составляла 0,3...0,5 мкА/см2. Обратное рассеяние измеряли поверхностно-барьерным детектором, находящимся под углом 157º по отношению к направлению падающего пучка. Энергетическое разрешение спектрометрического тракта составляло 23 кэВ. Для калибровки энергии частиц, падающих в мишенную камеру, использовали ядерную реакцию 10B(α,p) с резонансом при энергии α-частиц 1507 кэВ. Вращение кристаллов в трех взаимно перпендикулярных направлениях производили гониометром при шаге сканирования 0.03°. Исследования энергетических и угловых зависимостей обратного рассеяния для кристаллографических направлений <110>, <100>, <111> как в исходном, так и в облученном состоянии (для каждой дозы облучения), были выполнены на образцах, вырезанных из одного монокристалла. Для сканирования вдоль осей <100> и <111> гониометрический столик дополняли специальными подставками, обеспечивающими необходимый угол наклона мишени по отношению к пучку. Подробно методика эксперимента изложена в [2]. Микроструктура облученных образцов исследована на электронном микроскопе ЭМВ- 100Л. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Количество, тип и пространственное распределение дефектов, создаваемых в Ni при облучении пучками ионов He+, Ar+, Kr+, Xe+ с энергией 0.2...1 МэВ, исследованы в интервале доз облучения 1·1015...2·1017см-2. Во всем изученном интервале для каждого из трех направлений (〈110〉, 〈100〉, 〈111〉) получены энергетические зависимости выхода обратно рассеянных ионов гелия (спектры обратного рассеяния) (рис. 1). Переход от номера канала на спектрах ОР к шкале энергий осуществляли, используя градуировочную кривую энергетической шкалы анализатора импульсов. 0 500 1000 1500 2000 2500 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 Энергия (МэВ) В ы хо д об ра тн ог о ра сс ея ни я (с че ты /к ан ал ) Случайный Исходный 1 2 3 0100200 Х, нм Осевые Рис. 1. Спектры (случайный и осевые) обратного рассеяния ионов Не+ с энергией 1,6 МэВ в кристалле Ni 〈110〉 исходном и имплантированном ионами Kr+ (300 кэВ) (1) и Ar+ (300 кэВ (2) и 1 МэВ (3)) до дозы 5.1016 см-2 при комнатной температуре Общей особенностью, характерной практически для всех спектров, измеренных в условиях осевого каналирования, является наличие пиков в приповерхностной области и повышение в несколько раз выхода обратного рассеяния по сравнению с исходным необлученным кристаллом (см. рис.1). При исследовании повреждений структуры кристаллов методом РОРКИ рассматривают две группы дефектов: дефекты блокирующего типа (точечные дефекты, их скопления) и дефекты протяженного типа (дислокации, дефекты упаковки, пузырьки и т.д.), которые при взаимодействии с анализирующим пучком вызывают в основном деканалирование частиц. Таким образом, пики на спектрах обусловлены прямым рассеянием ионов Не+ на атомах никеля, смещенных из узлов решетки, а повышение выхода обратного рассеяния во всем диапазоне энергий – деканалированием анализирующих ионов гелия на протяженных дефектах. Высота и ширина приповерхностного пика, величина выхода деканалирующих частиц и глубина, с которой они начинают деканалировать, зависят от массы и энергии бомбардирующих ионов. Так, наибольший поверхностный пик наблюдается при облучении ионами криптона, а наименьшее деканалирование – для ионов аргона с энергией 1 МэВ (см. рис. 1). Для одного сорта частиц и при одинаковой энергии имплантации вид спектров обратного рассеяния зависит от дозы облучения. Для ионов ксенона при изменении дозы на порядок с 2.5·1015 до 2.5·1016 см-2 площадь под пиком вырастает в три раза, а деканалирование – в ~5 раз (рис. 2). 0 500 1000 1500 2000 60 90 120 150 180 Н о м е р к а н а л а В ы хо д об ра тн ог о ра сс ея ни я, (с че ты /к ан ал ) исходный случайный 1х1016см-2 2.5х1016см-2 6х1015см-2 2.5х1015см-2 Рис. 2. Спектры обратного рассеяния в кристалле Ni 〈110〉, имплантированном ионами Хе+ с энергией 630 кэВ при комнатной температуре Скорость изменения деканалирования по мере удаления от поверхности остается примерно одинаковой для всего исследованного интервала доз облучения (выходы ОР практически параллельны друг другу), но существенно большей по сравнению с исходным кристаллом. 53 Аналогичная ситуация наблюдается при облучении ионами криптона с энергией 300 кэВ (рис. 3). При изменении дозы облучения от 1·1015 до 5·1016 см-2 наблюдается возрастание уровня деканалирования. Однако при дозе ~5.1016 см-2 и выше уровень деканалирования выходит на насыщение. В то же время высота и ширина поверхностного пика увеличиваются по мере роста дозы облучения. При дозе 9·1016 см-2 выход ОР в приповерхностном пике достигает уровня сигнала, полученного для неориентированного кристалла, а в случайном спектре при этом происходит снижение выхода ОР в районе 130…150 каналов (см. рис. 3). Увеличение высоты пика вплоть до случайного спектра и его уширение при неизменном уровне деканалирования за поврежденным слоем свидетельствует о полном разрушении (или разупорядочении) структуры в приповерхностной области [4]. Для полупроводников это сопровождается аморфизацией, а для металлов чаще всего – переходом от монокристаллической структуры к поликристаллической, как это наблюдалось при электронографических исследованиях в настоящей работе. Снижение выхода ОР в районе 130…150 каналов (случайный спектр) связано с обеднением слоя атомами никеля при имплантации криптона до большой концентрации. 0 500 1000 1500 2000 60 80 100 120 140 160 180 Номер канала Вы хо д об ра тн ог о ра сс ея ни я (с че ты /к ан ал ) 300 кэВ Kr → 〈Ni〉 при 300 К случайные исходный 1,3 х 1017см-2 5 х 1016см-2 1 х 1016 см-2 6 х 1015 см-2 9 х 1016см-2 Рис. 3. Спектры обратного рассеяния (случайные и осевые) в кристалле Ni 〈110〉, имплантированном ионами Kr+ с энергией 300 кэВ Увеличение высоты пика на осевых спектрах связано определенным образом с количеством дефектов, а изменение энергетической ширины сигнала с величиной поврежденного слоя. Применение метода обратного рассеяния для определения пространственного распределения примесей и дефектов (профиль распределения дефектов и имплантированных частиц) основано на возможности регистрировать разницу в энергии частиц, рассеянных от атомов, которые находятся на поверхности и на некоторой глубине. Используя известные табличные данные по энергетическим потерям частиц с изменяющейся в общем случае энергией в материале данной мишени, можно рассчитать глубину, которой соответствует разница в энергии сигналов на спектре обратного рассеяния. В [5] показано, что при анализе кристаллических мишеней с использованием каналирования следует иметь в виду, что потери энергии каналирующих частиц в совершенных кристаллах могут быть в 1,5- 3 раза меньше, чем в неориентированных мишенях. Этот факт является весьма важным при конвертировании шкалы энергии в шкалу глубин. Вместе с тем при анализе слоев поврежденных кристаллов этот эффект ослабляется, так как значительная часть анализирующих ионов при прохождении поврежденной области приобретает достаточную поперечную энергию для того, чтобы деканалировать. В настоящей работе при переходе к шкале глубин использовали потери энергии анализирующих ионов, движущихся в неориентированных мишенях. На рис. 4 в качестве примера приведены профили распределения повреждений, созданных в никеле при облучении ионами криптона с энергией 300 кэВ. Профили получены по методике [6] в приближении однократного рассеяния при анализе пиков в области 120…160 каналов на осевых спектрах (cм. рис. 3). На рис. 4 для сравнения с экспериментально измеренными профилями приведен профиль повреждений, полученный с помощью программы SRIM 2003 [7]. 0 10 20 30 40 50 60 0 500 1000 1500 Глубина, ангстрем Ко нц ен тр ац ия д еф ек то в, (х 10 21 с м -2 ) 1·1016 см-2 9·1016 см-2 5·1016 см-2 2.5·1016 см-2 13·1016 см-2 Kr (300 кэВ) →Ni〈110〉 vacancy (SRIM2003) Рис. 4. Профили повреждений, созданных в никеле при облучении ионами криптона с энергией 300 кэВ до доз 1·1016…13·1016 см-2 при комнатной температуре Анализ данных, приведенных на этом рисунке, показывает, что при имплантации в никель ионов криптона с энергией 300 кэВ максимумы экспериментально измеренных профилей дефектов удовлетворительно совпадают с расчетным значением. Полуширина распределения значительно меньше теоретической при дозах облучения менее 5·1016см-2, хорошо совпадает при дозах (5…7)·1016 см-2 и становится больше при дозах превышающих ~1017см-2. Необходимо отметить, что при температуре облучения ∼300 К от рекомбинации с вакансиями выживают смещенные атомы никеля, 54 захваченные на примесях или образовавшие малые скопления типа “black dots” [1] (см. вставку на рис. 1). При облучении ионами аргона и ксенона наблюдается такая же тенденция. Однако интервалы доз, при которых наблюдаются отмеченные выше особенности, имеют разные пределы в зависимости от массы и энергии налетающих частиц. Данные, полученные для разных условий облучения, могут быть сведены вместе при расчете дозы в единицах смещения на атом (сна) с использованием программы SRIM2003 [7]. На рис. 5 показана дозовая зависимость слоевой концентрации дефектов, создаваемых в никеле при облучении ионами аргона, криптона и ксенона. Слоевая концентрация дефектов была рассчитана из интегрального выхода (площадь под пиком) по методике [6]. Вклад деканалирования при этом аппроксимирован прямой линией (см. рис.1, пунктир). До дозы ~40 сна наблюдается линейное нарастание концентрации дефектов. Выше этой дозы кривая выходит на насыщение. На поверхности кристаллов при этом образуются нарушения типа блистеров. 0 1 2 3 0 20 40 60 80 1 Доза, сна С ло ев ая к он це нт ра ци я де ф ек то в, (х 10 16 с м -2 ) 00 Kr(300 кэВ) Ar(300 кэВ) Xe(630 кэВ) Рис. 5. Зависимость концентрации радиационных нарушений в кристалле Ni, имплантированном ионами Ar, Kr и Xe Эволюция профилей распределения радиационных дефектов в процессе послеимплантационного отжига была исследована в интервале температур 300…1300 К с шагом 100 К. На рис. 6 приведены энергетические спектры ионов Не, обратно рассеянных от атомов Ni в кристаллах, облученных ионами Хе+ при комнатной температуре до дозы 1⋅1016 см-2 и отожженных в интервале температур 300...1200 К. 0 500 1000 1500 2000 2500 0 50 100 150 200 Номер канала В ы хо д об ра тн ог о ра сс ея ни я (с че ты /к ан ал ) Хе Ni 630 кэВ Xe > Ni 1 х 1016 см-2 случайный исходный Тотж=1000 К Тотж=700 К Тотж=300 К Тотж=1200 К Рис. 6. Спектры обратного рассеяния в кристалле Ni 〈110〉, имплантированном ионами Хе+ с энергией 630 кэВ до дозы 1·1016см-2 при Ткомн и при постимплантационных отжигах После отжига облученных образцов начиная с Тотж ~700 К пик от смещенных атомов никеля исчезает, а уровень деканалирования практически не меняется. Снижение уровня деканалирования происходит при более высоких температурах отжига. В [5, 8] приведена методология расчета спектров обратного рассеяния деканалирующих ионов с целью получения информации о количестве и пространственном распределении протяженных дефектов. Из экспериментальных осевых и случайных спектров извлекают данные о нормированном выходе обратного рассеяния для поврежденного ( χd ) и исходного ( χv ) кристаллов и строят зависимость от глубины параметра деканалирования Fd=-ln[1-χd(t)]/[1- χv(t)] [8]. Полученные в настоящей работе зависимости от глубины параметров деканалирования анализирующих частиц 4Не на протяженных дефектах, созданных при облучении никеля ионами аргона, криптона и ксенона разной энергии, приведены на рис. 7. Температура облучения в этом случае была комнатная, доза облучения составляла 2,5·1016 см-2 для ионов ксенона и 5·1016 см-2 для ионов аргона и криптона. 55 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 2000 4000 6000 Глубина, ангстрем П ар ам ет р де ка на ли ро ва ни я, F d Xe630 damage Kr300 (Rp+ΔRp) Xe630 Kr300 Kr900 Ar300 Ar1000 Ar300 (Rp+ΔRp) Kr900 (damage) Ar1000 (Rp+ΔRp) Рис. 7. Зависимость параметра деканалирования от глубины Стрелками на рис. 7 показаны расчетные значения максимумов профилей повреждений (вакансий) и Rp+ΔRp (проективный пробег + полуширина распределения), полученные с помощью программы SRIM 2003 для ионов аргона, криптона и ксенона в исследованном интервале энергий. Параметр деканалирования Fd имеет вид функции, нарастающей с увеличением расстояния от поверхности, что свидетельствует о поврежденности кристалла [8]. Величина изменения параметра деканалирования зависит от массы и энергии бомбардирующих ионов. Наибольшее изменение (~ в 4 раза) наблюдается для ионов ксенона, наименьшее – для ионов аргона с энергией 1 МэВ – на 25%. Нарастание параметра деканалирования происходит до определенной глубины, далее он или не меняется или наблюдается его слабый рост. Максимальные изменения в Fd происходят на глубинах, которые совпадают с максимумом в профиле повреждений (вакансии SRIM 2003) для ионов Хе с энергией 630 кэВ и Kr c энергией 900 кэВ (см. рис. 7). Для ионов аргона и криптона с энергией 300 кэВ максимальные изменения в параметре каналирования наблюдаются в области глубин соответствующих Rp+ΔRp. Для ионов аргона с энергией 1000 кэВ изменение Fd наблюдается на глубинах, начиная с 2500 Å (практически максимум профиля повреждений) и до ~5000 Å, что соответствует Rp+ΔRp. Зависимость Fd от глубины должна выходить на плато при достижении неповрежденной области кристалла. Наблюдаемое в эксперименте слабое возрастание Fd на глубинах, существенно превышающих Rp+ΔRp может означать, что разупорядочение вследствие облучения структуры монокристалла простирается до этих глубин. Информацию о глубинном распределении протяженных дефектов получают, анализируя скорость изменения параметра деканалирования (Fd). Уровень деканалирования в спектре обратного рассеяния и количество дефектов на пути анализирующих частиц связаны следующим образом [5]: -ln =⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − )t(1 )t(1 v d χ χ ∫ t 0 dt)t(nλ , (1), где λ – сечение деканалирования дефектов данного типа; n(t) – плотность дефектов на глубине t. Дифференцируя уравнения (1), получаем распределение по глубине дефектов, приведших к искажению решетки и деканалированию анализирующих частиц. Применив эту процедуру к спектрам обратного рассеяния, можно определить глубину поврежденного слоя. На рис. 8 приведены экспериментальные данные по нормированному выходу ОР для исходного кристалла никеля (χv) и облученного ионами гелия с энергией 200 кэВ (χd) (фракции деканалирования). В качестве анализирующих ионов в данном случае использовали протоны с энергией 1,4 МэВ, позволяющие анализировать образец на глубину до 6 мкм. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Глубина, мкм d/ dt {- ln [(1 - χ d) /(1 - χ v)] } 3 Rp ΔRp He (200 кэВ)→〈110〉Ni 5·1016 см-2 χd χv Fd Рис. 8. Зависимость фракции деканалирования для исходного кристалла никеля (χv) и облученного ионами гелия с энергией 200 кэВ (χd) параметра деканалирования (Fd) от глубины и профиль повреждений Выход ОР на глубине до 1 мкм для облученного кристалла увеличивается на порядок по сравнению с исходным образцом. На глубине более 1 мкм зависимости χv(t) и χd(t) идут параллельно друг другу, что свидетельствует об отсутствии радиационных повреждений на этой глубине. На рис. 8 приведены рассчитанный из экспериментальных данных параметр деканалирования (Fd) и профиль повреждений, полученный при дифференцировании зависимости Fd=f(t). Профиль повреждений хорошо совпадает с расчетным профилем пробегов для ионов гелия с энергией 200 кэВ в никеле. Профили повреждений в никеле, облученном при комнатной температуре ионами криптона с энергией 900 кэВ, приведены на рис. 9, а ионами аргона с энергией 300 кэВ – на рис. 10. Для сравнения здесь же показаны рассчитанные с помощью программы SRIM 2003 профили вакансий и распределение пробегов. 56 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 2000 4000 6000 Глубина, ангстрем d/ dt {-l n[ (1 -X d) /(1 -X v)] } Kr (900 кэВ)→〈110〉Ni vacancy (SRIM 2003) range distribution (SRIM 2003) 6·1016см-2, Т=20ºС Рис. 9. Профили повреждений в никеле, экспериментальный и рассчитанный с помощью программы SRIM 2003 профиль вакансий и распределение пробегов для ионов криптона с энергией 900 кэВ Поврежденный слой, созданный облучением ионами криптона с энергией 900 кэВ, распространяется на глубину до 2000 Å. Максимум распределения совпадает с максимумом в расчетном профиле вакансий, а полуширина – на ~30% меньше. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 2000 4000 6000 Глубина, ангстрем d/ dt {- ln [(1 -χ d) /(1 -χ v)] } Ar (300 кэВ)→〈110〉Ni vacancy (SRIM 2003) range distribution (SRIM 2003) 5·1016см-2, Тотж=900 K Fd Рис. 10. Профили повреждений в никеле, экспериментальный и рассчитанный с помощью программы SRIM 2003 (вакансии и распределение пробегов) для ионов аргона с энергией 300 кэВ В случае облучения ионами аргона так же, как при облучении ионами гелия с энергией 200 кэВ, профиль повреждения совпадает с расчетным профилем пробегов. Однако в случае аргона повреждения на глубине равной Rp+ΔRp не уменьшаются до нуля, а имеется некоторый уровень нарушений, который простирается на глубину, в несколько раз превышающую пробег, т.е. наблюдается эффект дальнодействия. Электронно-микроскопические исследования образцов, облученных ионами аргона до дозы 5·1016см-2 и затем отожженных при температуре 900 К, показали образование газовых пузырьков (см. рис.10, вставка). При отжиге образцов, облученных ионами криптона с энергией 900 кэВ, также образуются газовые пузырьки. Однако дальнодействия в этом случае не наблюдается. В то же время профиль повреждений, создаваемых в никеле при облучении ионами криптона с энергией 300 кэВ, имеет «хвост» в распределении. Возможной причиной наблюдаемых особенностей может быть различие в протекании процессов в каскадах, создаваемых частицами с разной массой и энергией. Тяжелые частицы аргон и криптон с энергией 300 кэВ, ксенон с энергией 630 кэВ создают каскады с большим выделением энергии, приводящим к повреждению структуры кристалла на глубину, превышающую пробег. Метод резерфордовского обратного рассеяния позволяет помимо профилей повреждений измерять профили распределения внедренной примеси. На рис.6 в районе 160…190 каналов наблюдается пик, образованный частицами гелия, рассеянными на атомах ксенона. На рис. 11 приведены профили распределения ксенона, внедренного в никель с энергией 630 кэВ (Тобл ∼ 300 К) до дозы 2.5⋅1015...2.5⋅1016 см-2. 0 1 2 3 4 5 0 500 1000 1500 2000 Глубина, ангстрем Ко нц ен тр ац ия , а т. % Xe(630 кэВ) →Ni〈110〉 range distribution (SRIM 2003) 2,5·1016см-2 1·1016см-2 6·1015см- Рис. 11. Профили распределения ксенона, имплантированного с энергией 630 кэВ в никель: экспериментальные для доз облучения (0,6…2,5)·1016 см-2 и рассчитанный с помощью программы SRIM 2003 профиль распределения пробегов Сравнение профилей распределения имплантированного ксенона, полученных из эксперимента и рассчитанных теоретически, показало совпадение расположения максимума и несоответствие формы профилей. Этот эффект зависит от дозы. Так, при 1⋅1015 см-2 расcчетный и экспериментальный профили совпадают, однако при 3⋅1015 см-2 появляется ассиметричность, которая увеличивается с ростом дозы облучения. Наблюдаемые изменения указывают на то, что с ростом дозы облучения происходит перераспределение все большей доли имплантированных атомов ксенона в глубь образца на расстояние, заметно превышающее пробег ионов Хе+ (Е = 630 кэВ) в никеле. Следует отметить, что облучение ионами Хе+ проводили при наклоне образца по отношению к осевому каналу, для того чтобы устранить эффект каналирования при внедрении. 57 Концентрация имплантированного ксенона соответствует дозе облучения для всего исследованного интервала от 1 до 25·1015 см-2. Для ионов криптона с энергией 300 кэВ такое совпадение наблюдается до дозы 5·1016 см-2. При облучении выше этой дозы концентрация практически не меняется. На поверхности образцов при этом начинают проявляться нарушения структуры в виде бугорков и ямок. Анализ энергетических спектров, полученных при обратном рассеянии от атомов ксенона, показывает, что в интервале дозы 1·1015...3·1015см-2 высота пика в условиях осевого каналирования в ~1,5 раза ниже, чем при неориентированной мишени (рис. 12), а при 1·1016см-2 спектры совпадают. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 500 1000 1500 2000 Глубина, ангстрем Ко нц ен тр ац ия , а т. % 1 2 Рис. 12. Спектры обратного рассеяния: случайный (1) и осевой (2) в кристалле Ni 〈110〉, имплантированном ионами Xe+ с энергией 630 кэВ до дозы 2,5·1015 см-2 при комнатной температуре Эти факты свидетельствуют, что при 1·1015...5·1015см-2 некоторая часть атомов ксенона находится в замещающем положении. Есть несколько способов определения локализации примесного атома или дефекта посредством обратного рассеяния каналированных ионов. Наиболее простым и информативным является исследование угловой зависимости выхода обратно рассеяния при аксиальном и угловом сканировании [6]. Местоположение атомов Хе в решетке Ni исследовано для доз облучения 1·1015...1.0·1016 см-2. С этой целью снимались угловые зависимости выхода ОР. Установлено, что доля атомов Хе в регулярном замещающем положении в решетке Ni (фракция замещения fs) зависит от дозы облучения. Так при дозе облучения ионами Хе+ 1·1015 см-2 fs составляет ~0.5, а для ионов Kr в Ni (D=5·1015 см-2) fs≈0.8. Для доз облучения ≥1·1016 см-2 фракция замещения приближается к нулю. Снижение фракции замещения может быть связано с образованием комплексов ксенон- вакансия. Концентрации различных ксенон-вакансионных комплексов, обуславливающих экспериментально наблюдаемые угловые зависимости, были определены из сравнения экспериментальных и теоретически рассчитанных ориентационных зависимостей. Теоретическое моделирование угловой зависимости выхода ОР с различными положениями примесного атома в комплексе Хе-nv проводилось в рамках стандартной теории Линдхарда, в которой использовался статистический подход к движению частиц в канале. Предполагалось, что по мере движения пучка частиц в кристалле устанавливается статистическое равновесие, вследствие чего можно перейти к статистическому методу описания каналирования. При расчете рассеяние падающих ионов в аморфной пленке угловой разброс пучка и другие рассеивающие факторы подбирались таким образом, чтобы достичь наилучшего совпадения вычисленной и экспериментальной угловой зависимости выхода обратного рассеяния ионов гелия для атомов Ni необлученного кристалла. Вклад каждого примесного комплекса в нормированный выход обратно рассеянных альфа- частиц рассчитывался исходя из предположения, что различные кристаллографические эквивалентные конфигурации могут давать разный вклад в рассеяние. На рис. 13 приведены полученные экспериментально и рассчитанные угловые зависимости выхода обратного рассеяния от атомов Ni и Хе. Наилучшее совпадение экспериментальных и вычисленных значений угловых зависимостей достигается в том случае, когда при дозе облучения 3·1015 см-2 85% атомов Хе находится в комплексах Хе+v, 15% – в комплексах Хе+2v. При дозе 6·1015 см-2 60% атомов Хе образуют комплексы Хе+2v. Следует отметить, что образующиеся Хе- вакансионные комплексы не расщепленные. Поскольку ни экспериментальные данные, ни результаты математического моделирования не показывают устойчивых комплексов с атомами Хе в междоузельном положении. В то же время, как следует из работы [9], расщепленный вакансионный комплекс состоит из 2-х вакансий и примеси большого радиуса в междоузельном положении. Такие расщепленные комплексы, так называемые центры рекомбинации переменной полярности, были обнаружены в системе NiSc [10]. В работе [9] были предложены механизмы их образования и влияние таких центров на радиационную стойкость материалов. При этом предполагалось, что решающую роль в образовании таких комплексов играет размерный фактор. На основании результатов, полученных в настоящей работе, можно утверждать, что помимо размерного фактора важную роль в процессе образования расщепленных комплексов играет химическая связь (вид межатомного потенциала). 58 Н ор ми ро ва нн ы й вы хо д 0 0.5 1 1.5 -2 -1 0 1 2 угол (градусы) Ni 〈110〉 0 0.5 1 1.5 -2 -1 0 1 2 угол (градусы) Ni 〈111〉 0 0.5 1 1.5 -2 -1 0 1 2 угол (градусы) Ni 〈100〉 Рис. 13. Экспериментальные (◊– Ni, ο,• – Хе) и расчетные ( сплошные кривые) угловые зависимости выхода обратного рассеяния при сканировании в оси <110> (а), <100> (б), <111> (в); • - доза 3·1015 см-2; ο - 1·1016 см-2 Полученные результаты не позволяют в полном объеме проследить кинетику преобразования комплексов Хе-V в пору (или пузырек). Однако при более подробном исследовании методом каналирования дозовой зависимости изменения концентрации Хе-вакансионных кластеров можно будет получить результаты, необходимые для понимания механизма инкубационного периода образования пор. ВЫВОДЫ 1. Выполнено сравнение экспериментально измеренных профилей распределения внедренных ионов Хе, Kr и радиационных дефектов с теоретически рассчитанными профилями повреждений и пробегов. Определены концентрации и дозы облучения, при которых наблюдается совпадение экспериментальных данных и расчета. 2. Экспериментально получены угловые зависимости выхода рассеянных ионов от атомов матрицы (Ni) и примеси при сканировании кристалла никеля в окрестности осевых каналов. Исследовано изменение этих зависимостей с увеличением дозы облучения. 3. Методом математического моделирования рассчитаны атомные конфигурации комплексов Хе с точечными дефектами. В рамках теории Линдхарда проведено сопоставление экспериментальных данных с результатами математического моделирования. 4. Хорошее согласие экспериментальных данных с теоретически рассчитанными показало: − внедренные в никель атомы Хе при концентрациях Хе < 1 ат.% находятся в положении замещения; − с увеличением дозы облучения образуются Хе-вакансионные комплексы; − важную роль в образовании расщепленных конфигураций вакансионно-примесных комплексов играет помимо размерного фактора вид межатомного потенциала (химическая связь); − атомы Хе служат центрами зарождения вакансионных кластеров (возможно пор), так как с ростом дозы облучения наблюдается сдвиг концентрации Хе-V комплексов в сторону комплексов с большим числом вакансий; − термически стабильные комплексы Хе с междоузельными атомами в никеле при выбранных условиях отсутствуют. ЛИТЕРАТУРА 1. В.Ф. Зеленский, И.М. Неклюдов, Т.П. Черняева. Радиационные дефекты и распухание металлов. Киев: « Наукова думка», 1988, 296 с. 2. И.М. Неклюдов, Г.Д. Толстолуцкая, И.Г. Марченко, В.Ф. Рыбалко, И.Е. Копанец. Методические аспекты исследования процессов взаимодействия точечных дефектов с имплантированными примесными атомами методом каналирования: Препринт. Харьков: ННЦ ХФТИ, 1997, 19 с. 3. Г.Д. Толстолуцкая. Исследование радиационной повреждаемости материалов методами обратного рассеяния, каналирования и ядерных реакций //Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение» (75). 1999, № 3, с. 53–59. 4. J.W. Mayer, L. Eriksson, and J.A. Davies. Ion im- plantation in semiconductors (Academic, New York, 1971), Chap. 3. 5. E. Bоgh. Defect studies in crystals by means of channeling //Can. J. Phys. 1968, v. 46, p. 653–662. 6. Ф.Ф. Комаров, М.А. Кумахов, И.С. Ташлыков. Неразрушающий анализ поверхностей твердых тел ионными пучками. Минск: изд. «Университетское», 1987, 256 с. 59 7. J.F. Ziegler, J.P. Biersack, U. Littmark. The stopping and ranges of ions in solids. Pergamon, New York, 1985. 8. S.T. Picraux, E. Rimini, G. Foti, S.U. Campisano. Dechanneling by dislocations in ion-implanted Al //Phys. Rev. B. 1978, v. 18, N5, p. 2078–2096. 9. А.С. Бакай, В.Ф. Зеленский, И.М. Неклюдов. Центры рекомбинации точечных дефектов переменной полярности //ЖТФ. 1987, т. 57, N12, с. 2371–2374. 10. В.В. Ганн, И.Г. Марченко, И.М. Неклюдов, Ю.Т. Петрусенко, А.Н. Слепцов. Вакансионно- примесные комплексы в системе Ni-Sc и их влияние на процессы радиационного распухания //Труды Международной конференции по радиационному материаловедению (Крым, Алушта). 1990, т. 5, с. 202–209. ПРОФІЛІ ДЕФЕКТІВ, РОЗПОДІЛ І МІСЦЕ РОЗТАШУВАННЯ ГЕЛІЮ, АРГОНУ, КРИПТОНУ Й КСЕНОНУ, ИОННО-ИМПЛАНТИРОВАННЫХ У НІКЕЛЬ Г.Д. Толстолуцька, І.Є. Копанець, І.М. Неклюдов, І.Г. Марченко Методами каналювання й математичного моделювання досліджені профілі розподілу пошкоджень, створюваних в Nі при опроміненні іонами He+, Ar+, Kr+, Xe+ з енергією 0.2...1 МэВ в інтервалі доз 1·1015...1·1017 см-2. Визначено місце розташування імплантованих атомів Хе в ґратах монокристалла Ni, їхня взаємодія з радіаційними дефектами, кінетика утворення примесных комплексів і їхня конфігурація. RADIATION DAMAGE, RANGE DISTRIBUTION AND SITE LOCATION MEASUREMENTS OF HELIUM, ARGON, KRYPTON AND XENON IN NICKEL AFTER IMPLANTATION G.D. Tolstolutskaya, I.E. Kopanets, I.M. Neklyudov, I.G. Marchenko ed. By the methods of channeling and mathematical simulation the distribution profiles of damage produced in Ni under irradiation by ions of He+, Ar+, Kr+, , Xe+ with energy 0.2…1 MeV in the range of doses 1·1015…1·1017cm-2 are investigated. Location of implanted atoms of Xe in Ni monocrystal lattice is determined, their interaction with radiation defects, kinetics of impurity complexes formation and their configuration are defin 60 МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80145
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-6016
language Russian
last_indexed 2025-12-07T15:24:28Z
publishDate 2006
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format dspace
spelling Толстолуцкая, Г.Д.
Копанец, И.Е.
Неклюдов, И.М.
Марченко, И.Г.
2015-04-12T13:34:24Z
2015-04-12T13:34:24Z
2006
Профили дефектов, распределение и местоположение гелия, аргона, криптона и ксенона, ионно-имплантированных в никель / Г.Д. Толстолуцкая, И.Е. Копанец, И.М. Неклюдов, И.Г. Марченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 4. — С. 52-59. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
1562-6016
УДК 669.017:539.16
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80145
Методами каналирования и математического моделирования исследованы профили распределения нарушений, создаваемых в Ni при облучении ионами He⁺, Ar⁺, Kr⁺, Xe⁺ с энергией 0.2...1 МэВ в интервале доз 1·10¹⁵…1·10¹⁷ см⁻². Определены местоположение имплантированных атомов Хе в решетке монокристалла Ni, их взаимодействие с радиационными дефектами, кинетика образования примесных комплексов и их конфигурация.
Методами каналювання й математичного моделювання досліджені профілі розподілу пошкоджень, створюваних в Nі при опроміненні іонами He⁺, Ar⁺, Kr⁺, Xe⁺ з енергією 0.2...1 МэВ в інтервалі доз 1·10¹⁵…1·10¹⁷ см⁻². Визначено місце розташування імплантованих атомів Хе в ґратах монокристалла Ni, їхня взаємодія з радіаційними дефектами, кінетика утворення примесных комплексів і їхня конфігурація.
By the methods of channeling and mathematical simulation the distribution profiles of damage produced in Ni under irradiation by ions of He⁺, Ar⁺, Kr⁺, Xe⁺ with energy 0.2…1 MeV in the range of doses 1·10¹⁵…1·10¹⁷ cm⁻². are investigated. Location of implanted atoms of Xe in Ni monocrystal lattice is determined, their interaction with radiation defects, kinetics of impurity complexes formation and their configuration are defined.
ru
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Вопросы атомной науки и техники
Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
Профили дефектов, распределение и местоположение гелия, аргона, криптона и ксенона, ионно-имплантированных в никель
Профілі дефектів, розподіл і місце розташування гелію, аргону, криптону й ксенону, ионно-имплантированных у нікель
Radiation damage, range distribution and site location measurements of helium, argon, krypton and xenon in nickel after implantation
Article
published earlier
spellingShingle Профили дефектов, распределение и местоположение гелия, аргона, криптона и ксенона, ионно-имплантированных в никель
Толстолуцкая, Г.Д.
Копанец, И.Е.
Неклюдов, И.М.
Марченко, И.Г.
Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
title Профили дефектов, распределение и местоположение гелия, аргона, криптона и ксенона, ионно-имплантированных в никель
title_alt Профілі дефектів, розподіл і місце розташування гелію, аргону, криптону й ксенону, ионно-имплантированных у нікель
Radiation damage, range distribution and site location measurements of helium, argon, krypton and xenon in nickel after implantation
title_full Профили дефектов, распределение и местоположение гелия, аргона, криптона и ксенона, ионно-имплантированных в никель
title_fullStr Профили дефектов, распределение и местоположение гелия, аргона, криптона и ксенона, ионно-имплантированных в никель
title_full_unstemmed Профили дефектов, распределение и местоположение гелия, аргона, криптона и ксенона, ионно-имплантированных в никель
title_short Профили дефектов, распределение и местоположение гелия, аргона, криптона и ксенона, ионно-имплантированных в никель
title_sort профили дефектов, распределение и местоположение гелия, аргона, криптона и ксенона, ионно-имплантированных в никель
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/123456789/80145
work_keys_str_mv AT tolstoluckaâgd profilidefektovraspredelenieimestopoloženiegeliâargonakriptonaiksenonaionnoimplantirovannyhvnikelʹ
AT kopanecie profilidefektovraspredelenieimestopoloženiegeliâargonakriptonaiksenonaionnoimplantirovannyhvnikelʹ
AT neklûdovim profilidefektovraspredelenieimestopoloženiegeliâargonakriptonaiksenonaionnoimplantirovannyhvnikelʹ
AT marčenkoig profilidefektovraspredelenieimestopoloženiegeliâargonakriptonaiksenonaionnoimplantirovannyhvnikelʹ
AT tolstoluckaâgd profílídefektívrozpodílímísceroztašuvannâgelíûargonukriptonuiksenonuionnoimplantirovannyhuníkelʹ
AT kopanecie profílídefektívrozpodílímísceroztašuvannâgelíûargonukriptonuiksenonuionnoimplantirovannyhuníkelʹ
AT neklûdovim profílídefektívrozpodílímísceroztašuvannâgelíûargonukriptonuiksenonuionnoimplantirovannyhuníkelʹ
AT marčenkoig profílídefektívrozpodílímísceroztašuvannâgelíûargonukriptonuiksenonuionnoimplantirovannyhuníkelʹ
AT tolstoluckaâgd radiationdamagerangedistributionandsitelocationmeasurementsofheliumargonkryptonandxenoninnickelafterimplantation
AT kopanecie radiationdamagerangedistributionandsitelocationmeasurementsofheliumargonkryptonandxenoninnickelafterimplantation
AT neklûdovim radiationdamagerangedistributionandsitelocationmeasurementsofheliumargonkryptonandxenoninnickelafterimplantation
AT marčenkoig radiationdamagerangedistributionandsitelocationmeasurementsofheliumargonkryptonandxenoninnickelafterimplantation

Similar Items