Герасименко Н.Н., Медетов Н.А., Смирнов Д.И., Мамайкин А.В. Московский государственный институт электронной техники (технический университет), Москва, Зеленоград mailto: тел.: (499)

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 A 3 B 5 под облучением.

К модели радиационной стойкости нанокристаллических материалов 4 [Герасименко Н.Н., Смирнов Д.И. // Нано- и микросистемная техника, С. 2-11]

5 [В.В. Ушаков, В.А. Дравин, Н.Н. Мельник и др. // ФТП, – Т С. 1126] Спектры рамановского рассеяния для c-Si (a) и por-Si (b). 1 исходные образцы; 2–4 после облучения Ar кэВ дозами 5·10 14, 2 · 10 15, 1 · 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 · 10 14, 3 1 · 10 15, 4 5 · 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, – Т. 32. – 8] Пористый фосфид галлия

Нанокристаллический кремний в аморфной матрице SiO 2 7 Спектры ФЛ слоев SiO 2 c нанокристаллами Si до (1) и после облучения ионами He + дозами, см -2 : , , Спектр 5 – после облучения слоя чистого SiO 2 ионами He + дозой см -2. [Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, M.-O. Ruault и др. // ФТП, Т С ] 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 – SiO 2 //ФТП, Т С ]

Аморфизация монокристаллического Ge в матрице SiO 2 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-SiO 2 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 SiO 2 9 Моделирование процесса облучения nc-Ge (4 нм) в a-SiO 2. 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*10 16 – 1.5*10 17 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, – No 9.- P ]

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, – No 9.- P ]

Рентгеноструктурный анализ облученных образцов пористого кремния Доза P + 3·10 13 см -2 Энергия 80 кэВ Дифракционный пик Si(004) Размер кристаллитов ~10 нм 12 c-Si(004) por-Si(004) красн. – до облучения син. – после

Рентгеноструктурный анализ облученных образцов пористого кремния Доза P + 3·10 13 см -2 Энергия 80 кэВ Дифракционный пик Si(004) Размер кристаллитов ~40 нм 13 c-Si(004) por-Si(004) красн. – до облучения син. – после

Рентгеноструктурный анализ облученных образцов пористого кремния Доза P + 3·10 13 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 облучения син. – после

ИК-спектроскопия облученных образцов 15 ИК-спектры поглощения образцов: Размер кристаллитов ~10 нм (верхн.) Размер кристаллитов ~40 нм (нижн.) красн. – до облучения син. – после

ИК-спектроскопия облученных образцов пористого кремния 16 ИК-спектр поглощения образца окисленного пористого кремния (размер кристаллитов ~50 нм). красн. – до облучения син. – 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!