РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ НАНОСТРУКТУР
DESCRIPTION
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ НАНОСТРУКТУР. Герасименко Н.Н. , Медетов Н.А., Смирнов Д.И., Мамайкин А.В. Московский государственный институт электронной техники (технический университет), Москва, Зеленоград mailto: [email protected] тел.: (49 9 ) 734-30-11. Ключевые вопросы. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Герасименко Н.Н., Медетов Н.А., Смирнов Д.И., Мамайкин А.В.
Московский государственный институт электронной техники (технический университет), Москва,
Зеленоград
mailto: [email protected] 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!