Герасименко Н.Н., Медетов Н.А., Смирнов Д.И., Мамайкин А.В.

Московский государственный институт электронной техники (технический университет), Москва,

Зеленоград

mailto: rmta@miee.ru тел.: (499) 734-30-11

Ключевые вопросы

2

• Предмет исследования радиационной стойкости

• Радиационная стойкость различных классов наноматериалов и структур. Нанокристаллические и нанопористые материалы

• Феноменологическая модель радиационной стойкости нанокристаллических материалов. Роль размерного фактора. Явления на границах нанообъектов (поверхностная энергия, тянущие поля упругих напряжений и пр.)

3

Что обычно понимают под радиационной стойкостью?

1. Стойкость по отношению к скорости введения радиационных структурных

нарушений:

• скорость накопления объектом вводимых дефектов незначительна;

• восстанавливает свою структуру после или во время радиационного

воздействия, например, происходит самозаживление (self-healing)

углеродных нанотрубок при достаточно высоких температурах.

2. Неизменность по отношению к деградации функциональных параметров

наноструктурных элементов.

• например, незначительная деградация фото- и электролюминесценции

квантовых точек A3B5 под облучением.

К модели радиационной стойкости нанокристаллических материалов

4

[Герасименко Н.Н., Смирнов Д.И. // Нано- и микросистемная техника, 2008. - № 9. - С. 2-11]

5[В.В. Ушаков, В.А. Дравин, Н.Н. Мельник и др. // ФТП, 1997. – Т. 31. - № 9. - С. 1126]

Спектры рамановского рассеяния для c-Si (a) и por-Si (b). 1 — исходные образцы; 2–4 — после облучения Ar+ 300 кэВ дозами 5·1014, 2 · 1015, 1 · 1016 см-2

соответственно.

Пористый кремний

Нанопористые слои Si демонстрируют повышенную радиационную стойкость по сравнению с c-Si

Спектры рамановского рассеяния слоев por-Si - наложение линий рассеяния от объемных фононов, колебаний в нанокристаллах и аморфной фазы.

6

Спектры фотолюминесценции c-GaP (a) и por-GaP (b), облученных различными дозами ионов Ar и отожженных при 720°C. Дозы облучения, см-2: 2 — 5 · 1014, 3 — 1 · 1015, 4 — 5 · 1015. 1 — спектры исходных образцов.

В отличие от нанопористого кремния por-GaP не обнаруживает повышенной радиационной стойкости:por-GaP имеет не нано-, а мезопористую структуру.

[В.В. Ушаков, В.А. Дравин, Н.Н. Мельник и др. // ФТП, 1998. – Т. 32. – № 8]

Пористый фосфид галлия

Нанокристаллический кремний в аморфной матрице SiO2

7

Спектры ФЛ слоев SiO2 c нанокристаллами Si до (1) и после облучения ионами He+ дозами, см-2: 2 - 3 ∙ 1012, 3 - 1 ∙ 1013, 4- 3 ∙ 1013. Спектр 5 – после облучения слоя чистого SiO2 ионами He+ дозой 1∙1015 см-2.

[Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, M.-O. Ruault и др. // ФТП, 2000. - Т. 34. - № 8. - С. 1004-1009]

По мнению авторов, раннее гашение фотолюминесценции и аморфизация происходят благодаря взаимодействию генерируемых подвижных дефектов с поверхностью нанокристаллов.

См. также[С. Романов, Л. Смирнов.О взаимодействии точечных дефектов с границей раздела Si – SiO2 //ФТП, 1976. - Т. 10. - № 5. - С. 876-881]

Аморфизация монокристаллического Ge в матрице SiO2

8

Сравнение доз аморфизации для nc-Ge и c-Ge (данные EXAFS).

По мнению авторов, меньшая доза аморфизации nc-Ge по сравнению с c-Ge связана с влиянием внешнего аморфизированного слоя Ge на границе с a-SiO2 на весь объем нанокристаллита вплоть до размеров кристаллита~10 нм.

[F. Djurabekova, M. Backman, K. Nordlund // Nucl. Inst. and Meth. in Phys. Res., B 266 (2008) 2683]

Аморфизация монокристаллического Ge в матрице SiO2

9

Моделирование процесса облучения nc-Ge (4 нм) в a-SiO2. a – До облучения, b – после облучения, эквивалентного образованию ПВА с энергией 0,1 кэВ.[F. Djurabekova, M. Backman, K. Nordlund // Nucl. Inst. and Meth. in Phys. Res., B 266 (2008) 2683]

a) b)

Многослойные пленочные структуры Cu-Nb

10

Многослойные пленочные структуры Cu-Nb, полученные напылением, толщина отдельного слоя 2.5, 5, 40, 100 нм.

Облучение данных структур при комнатной температуре ионами гелия с энергией 33, 150 кэВ, доза 6*1016 – 1.5*1017 см-2.

При толщинах слоев менее 20 нм ПЭМ не выявил наличия эффекта блистеринга после облучения.

[A.Misra, M.J.Demcowicz, et al. The Radiation Damage Tolerance Of Ultra-High Strength Nanolayered Composites // JOM, 2007. – No 9.- P. 62-65]

Многослойные пленочные структуры Cu-Nb. Моделирование

11

Энергия формирования точечных дефектов (вакансий) на границе раздела нанокомпозита Cu-Nb намного меньше, чем в монокристаллическом материале. Интерфейс является эффективной областью стока подвижных радиационных дефектов.

[A.Misra, M.J.Demcowicz, et al. The Radiation Damage Tolerance Of Ultra-High Strength Nanolayered Composites // JOM, 2007. – No 9.- P. 62-65]

Рентгеноструктурный анализ облученных образцов пористого кремния

Доза P+ 3·1013 см-2

Энергия 80 кэВ

Дифракционный пик Si(004)

Размер кристаллитов ~10 нм

12

c-Si(004)

por-Si(004)

красн. – до облучениясин. – после

Рентгеноструктурный анализ облученных образцов пористого кремния

Доза P+ 3·1013 см-2

Энергия 80 кэВ

Дифракционный пик Si(004)

Размер кристаллитов

~40 нм

13

c-Si(004)

por-Si(004)

красн. – до облучениясин. – после

Рентгеноструктурный анализ облученных образцов пористого кремния

Доза P+ 3·1013 см-2

Энергия 80 кэВ

Дифракционный пик Si(004) - окисленный пористый кремний.

Наличие растягивающих напряжений σ ~ 1 ГПа

Размер кристаллитов

~50 нм

14

por-Si(004)

c-Si(004)красн. – до облучениясин. – после

ИК-спектроскопия облученных образцов

15

ИК-спектры поглощения образцов:Размер кристаллитов ~10 нм(верхн.)

Размер кристаллитов ~40 нм(нижн.)

красн. – до облучениясин. – после

ИК-спектроскопия облученных образцов пористого кремния

16

ИК-спектр поглощения образца окисленного пористого кремния (размер кристаллитов ~50 нм).

красн. – до облучениясин. – после

Заключение

17

• Наноматериалы и наноструктуры, а также приборы на их основе, демонстрируют повышенную радиационную стойкость по сравнению с традиционными материалами.

• Показано, что одну из главных ролей в механизмах радиационной стойкости играют эффекты размерной локализации, а также эффекты на границе раздела нанообъекта с внешней средой.

• Предложена модель радиационной стойкости по отношению к неизменности структуры для нанокристаллов и нанопористых материалов, основанная на механизме образования радиационных дефектов, связанных с появлением и аннигиляцией ближних пар Френкеля в ограниченном объеме нанокристаллита.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!