Радиационные дефекты. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Радиационные дефекты - дефекты кристал-лич. структуры, образующиеся при их облучении потоками частиц или квантов эл--магн. излучения. Энергия, переданная твёрдому телу (мишени), может привести к разрыву межатомных связей и смещению атомов с образованием первичного радиационного дефекта типа Френкеля пары (вакансия и межузельный атом).

Эл--магн. излучение (оптич. фотоны, g-кванты, рентг. кванты) непосредственно возбуждает электронную систему кристалла, и лишь на след. этапе включаются разл. механизмы смещения атомов. Это - взаимодействие атомов с электронами, энергия к-рых достаточна для смещения атома; смещение ионизиров. электронным ударом атома из-за электрич. отталкивания от одноимённого заряженного, близко расположенного примесного иона; смещение соседних, одновременно ионизиров. атомов, и др. Возможно также смещение атомов из-за отдачи при фотоядерных реакциях (g, n).

При нейтронном облучении налетающая частица смещает атом в том случае, если передаёт ему в упругих соударениях (без возбуждения электронной системы) энергию

превышающую нек-рую пороговую

Типичные значения

составляют 10-80 эВ. Вылет из ядра продуктов ядерных реакций, инициируемых нейтронами, также может вызвать смещение атомов в результате отдачи. Облучение заряж. частицами (электронами, позитронами, протонами, ионами) сопровождается как неупругой (передача энергии электрона), так и упругой передачей энергии атомам мишени. Соответственно образование радиационного дефекта при таких воздействиях протекает по механизмам, характерным для облучения как нейтронами, так и эл--магн. квантами.

Образование радиационного дефекта при передаче энергии электронам возможно гл. обр. в диэлектриках и полупроводниках. В металлах энергия, "растраченная" радиацией на возбуждение атомарных электронов, преим. превращается в тепло, не создавая дефектов структуры.

Если энергия, к-рой обладает первичный смещённый в междоузлие атом, значительно превосходит

такой атом в свою очередь может при движении генерировать пары Френкеля вблизи своей траектории и т. д. Результатом каскада соударений является образование дефектных разупорядоченных областей - радиационных кластеров с характерным линейным размером ~10^-6-10^-5 см. При этом концентрация компонентов пар Френкеля в кластере может достигать 10²¹-10²² см^-3. При ионной имплантации (энергия ионов ~10² кэВ) локализация кластеров в тонких слоях, определяемых пробегом ионов (~10^-4 см), ведёт к образованию слоев с большей концентрацией дефектов (см. Ионная бомбардировка).

Во мн. случаях образование пар Френкеля и кластеров является лишь первой стадией формирования устойчивых радиационных дефектов. После возникновения вакансии и междоузельные атомы частично рекомбинируют, частично начинают движение по мишени, вступая в т. н. квазихим. реакции друг с другом и с др. дефектами структуры мишени (примесными атомами, дислокациями или границами раздела фаз).

Типы и концентрация устойчивых радиационных дефектов определяются как условиями облучения, так и свойствами самих твёрдых тел. При этом для лёгких частиц и фотонов не слишком высоких энергий наиб. характерно образование устойчивых точечных дефектов (изолиров. вакансии или междоузельные атомы, дивакансии, комплексы компонентов пары Френкеля с примесными атомами и т. п.). При облучении нейтронами устойчивый кластер представляет собой дивакансионное ядро, окружённое примесно-дефектными комплексами. При ионной бомбардировке плотность точечных дефектов в кластере больше, чем при нейтронной, и она тем выше, чем больше масса нона. При этом важную роль в формировании устойчивых кластеров играет процесс пространственного разделения вакансий и междоузельных атомов, предшествующий стадии квазихим. реакций. В силу этого устойчивые кластеры, возникающие при ионной бомбардировке, имеют более сложную структуру и состоят из вакансионных комплексов с разл. числом вакансий, примесно-дефектных комплексов, а также атомов внедрённой примеси. При облучении кристаллов тяжёлыми ионами устойчивые кластеры представляют собой локальные аморфные области.

Радиационные дефекты - метастабильные образования, их концентрацию и природу можно изменить нагревом (термич. отжиг дефектов). Такая термообработка иногда может сопровождаться полным восстановлением исходной структуры. В то же время в зависимости от условий отжига (темп-pa, скорость ее изменения, время, газовая среда, характер возбуждения электронной системы атомов и дефектов) квазихим. реакции могут сопровождаться появлением новых типов дефектов. Напр., типичный для технологии микроэлектроники отжиг бездислокационного Si, имплантированного большими дозами ионов Р, сопровождается образованием дислокаций, плотность к-рых особенно высока, если нагрев осуществляется в окислит. атмосфере. При термич. отжиге радиационные дефекты приобретают энергию, достаточную для разрыва связи между ними, миграции освободившихся частиц и протекания реакций с их участием.

В качестве источника энергии при отжиге иногда может служить облучение (радиац. отжиг). При этом механизмы радиац. отжига могут быть обусловлены как повышением температуры мишени (радиац. разогрев), так и реакциями взаимодействия рождающихся компонентов пар Френкеля с ранее образовавшимися радиационными дефектами. Примером радиац. отжига является стимулированная ионами кристаллизация, благодаря к-рой аморфный слой, образующийся в кристаллич. полупроводниках в результате ионной бомбардировки, вновь кристаллизуется при продолжении облучения.

Взаимодействие излучений с твёрдым телом сопровождается рядом т. н. радиац. эффектов. В их числе: распыление; изменение коэф. диффузии; удаление атомов с облучаемой поверхности; т. н. трансмутац. легирование (образование примесных атомов в результате ядерных реакций); ионный синтез (хим. реакции, приводящие к образованию новых соединений, в имплантированных химически активными ионами объектах в процессе облучения или последующего отжига).

Генерация радиационных дефектов в твердотельных материалах сопровождается изменением их свойств. Так изменяются форма и размеры облучённых образцов (радиац. рас-пухание), причём анизотропный характер этих изменений зависит как от концентрации, так и от конфигурации радиационных дефектов. Изменяются механич. свойства твёрдых тел, что проявляется в увеличении предела текучести пластичных материалов, нек-ром повышении модуля упругости, ускорении ползучести. Накопление радиационных дефектов изменяет степень упорядоченности структуры сплавов и ускоряет фазовые переходы. Электропроводность облучённых тел изменяется прежде всего из-за появления заряж. дефектов. Особенно сильно это проявляется в полупроводниках, где радиационные дефекты не только выступают как центры рассеяния носителей заряда, но способны изменить концентрацию и природу осн. носителей заряда. Нейтральные дефекты также влияют на проводимость, т. к. являются центрами рассеяния носителей. Для оптич. свойств характерно появление новых областей поглощения в разл. спектральных областях (см. Центры окраски). Специфически влияет облучение на поверхность твёрдых тел, не только вызывая образование иных, не свойственных объёму дефектных структур, но и изменяя физ--хим. свойства поверхности (напр., кинетику окисления и адсорбции).

Инициированные радиационных дефектов изменения свойств материалов нередко затрудняют их практич. использование. Так, изменение механич. свойств, однородности состава и геом. размеров конструкц. элементов ограничивает срок работы ядерных реакторов. Особенно сильно влияет радиация на полупроводниковые материалы и приборы. В силу высокой чувствительности электрич. характеристик полупроводников к появлению малой концентрации радиационных дефектов облучение полупроводников даже при низких дозах радиации может сопровождаться существ. изменениями параметров полупроводниковых приборов.

В то же время образование радиационных дефектов в твёрдых телах, особенно в сочетании с др. воздействиями (с изменением температуры, механич. нагрузки, электрич. поля, освещения), позволяет направленно регулировать свойства твердотельных материалов.

Примерами применений радиационно-технологияечких процессов, осн. на использовании свойств радиационных дефектов, являются повышение коррозионной стойкости металлов под влиянием ионной имплантации, деформац. упрочнение облучённых ионных кристаллов, ускоренная полимеризация пластмасс, нейтронное трансмутац. легирование Si и др. Совокупность методов для создания материалов, устойчивых к облучению, а также для придания материалам нужных свойств под действием облучения составляют предмет радиац. материаловедения.

Литература по радиационным дефектам

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.