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 релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.