WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 11 Механическая модель аморфизации при ионном облучении © Д.И. Тетельбаум, Ю.А. Менделева Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия E-mail: Tetelbaum@phys.unn.ru (Поступила в Редакцию 10 февраля 2004 г.) Предложена механическая модель аморфизации твердых тел, основанная на представлении о возникновении по мере накопления радиационных дефектов сил и их моментов, действующих на локальные объемы вещества и приводящих к фрагментации. Проведенные оценки показывают, что такая модель может быть адекватной только при учете деформационных волн, генерируемых при реакциях между дефектами. Данная модель согласуется с паракристаллической структурой аморфизованных ионным облучением слоев кремния.

Работа частично поддержана грантом РФФИ № 04-02-16493.

1. Введение туры a-Si лучше всего подходит модель непрерывной сетки [6]. Однако определение БП не может служить Известно [1], что при ионном облучении многих типов достаточным критерием для однозначного установления кристаллических твердых тел, в частности ковалентных справедливости той или иной модели, хотя бы потополупроводников, имеет место переход приповерхностму, что в конгломерате мелких нанокристаллов доля ного слоя в аморфное состояние — аморфизация. Это атомов, находящихся на границах раздела или вблизи явление играет важную роль в случае ионной импланот них, весьма высока. Кроме того, следует учитывать, тации. Существуют две основные модели аморфизации.

что почти во всех работах, посвященных исследоваСогласно одной из них [2], вдоль трека иона происходит нию структуры аморфного состояния, речь не идет об плавление вещества с последующим затвердеванием.

облученных ионами полупроводниках; для последних Вследствие чрезвычайно высокой скорости охлаждения информация о структуре аморфных слоев весьма скудна.

область расплава не успевает кристаллизоваться и соНедавно появились сообщения [7] о том, что по данхраняет аморфное строение. Эта модель, по-видимому, ным, полученным новым электронно-микроскопическим справедлива лишь для наиболее тяжелых ионов. Более методом — флуктуационной микроскопией, структура общей является модель спонтанного перехода облученионно-синтезированных при низких температурах слоев ной области кристалла в аморфное состояние после a-Si может быть описана на основе так называемой накопления в ней достаточно высокой (критической) паракристаллической модели. Согласно ей, БП не идеконцентрации радиационных дефектов [3]. Несмотря на ален, но в отличие от модели непрерывной сетки наряду наличие довольно большого числа работ, посвященных с БП имеется определенная степень „среднего“ (пропроцессам аморфизации, до сих пор отсутствует ясность межуточного) порядка, позволяющая выделить границы в понимании конкретного механизма перехода в аморф„зерен“ (блоков). При этом диаметр „зерен“ находится в ное состояние во втором случае.

пределах 1–3 nm. Только после отжига при 500C и выВ настоящей работе предложена простейшая (меше структура приближается к состоянию, описываемому ханическая) модель перехода из кристаллического в моделью непрерывной сетки. Эти результаты показывааморфное состояние при накоплении критической конют, что в случае ионного облучения (по крайней мере, центрации радиационных дефектов.

при низких температурах) представление об аморфном слое как о совокупности разориентированных блоков имеет право на существование.

2. Модель аморфизации Итак, предположим, что при ионно-лучевой аморфизаДанная модель опирается на представление об аморф- ции происходит фрагментация приповерхностного слоя ном веществе как о конгломерате взаимно разори- кристалла, сопровождающаяся поворотом каждого фрагмента (блока) на достаточно большой угол. В отличие ентированных кристаллов весьма малого размера — от фрагментации при обычных механических воздейнанокристаллов. Безусловно, эта модель, предложенная ствиях (например, при помоле в шаровых мельницах) еще десятки лет назад [4], сильно упрощена. Например, для аморфного кремния (a-Si), полученного различными в данном случае не происходит нарушения сплошности способами, структурные, оптические и электронографи- вещества: фрагменты после переориентации образуют ческие исследования показали [5], что степень ближнего между собой новые межатомные связи по границам порядка (БП) отличается от степени БП кристалла, раздела. Причиной фрагментации в нашей модели слуно основная структурная единица — тетраэдр — со- жат локальные напряжения, связанные с высокой конхраняется. Обычно считается, что для описания струк- центрацией точечных радиационных дефектов: вакансий, Механическая модель аморфизации при ионном облучении статистике и достаточно большом N) среднеквадратиче ское отклонение числа дефектов равно N. Именно это число и играет роль эффективного числа дефектов при оценке (по порядку величины) средней силы или среднего момента силы, действующей на данный выделенный блок со стороны соседних, так как при равном числе дефектов во всех блоках силы уравновешиваются и результирующий момент сил равен нулю. Каждый дефект создает вокруг себя поле упругих напряжений [9,10].

Просуммируем напряжения от N дефектов, расположенных в блоке 1 (см. рисунок). Результирующий вектор силы F приложен к точке, указанной на рисунке.

Эта сила создает момент M относительно центра куба.

Аналогичным образом можно определить моменты, действующие от других соседних блоков (действием более дальних блоков при грубых оценках пренебрегаем). Учет Схематическое изображение блоков кристалла в исходном других (кроме блока 1) блоков, окружающих блок 2, состоянии (проекция на плоскость рисунка). F —равнодейизменит момент в меньшую, а соответствующую криствующая сил, действующих на блок 2 со стороны блока 1.

тическую концентрацию — в большую сторону. (Это только усилит вывод, сделанный далее).

междоузельных атомов и их комплексов (дивакансии, Из рисунка можно видеть, что димеждоузлия, мультивакансии, мультимеждоузельные 1 комплексы). На каждый фрагмент (локальный объем M = Fa = a3, (1) кристалла) действует сила со стороны соседних блоков, 4 причем из-за флуктуаций в распределении дефектов где — напряжение. Приравняв = cr (где cr — результирующая сила и ее момент не будут равны предел прочности), получим критическое значение M нулю. Кроме статических сил блок при облучении испытывает и динамическое воздействие, обусловленное Mcr = cra3. (2) генерацией деформационных волн (ДВ) при реакциях между дефектами (РМД), например при рекомбинации С другой стороны, эффективное значение для блока 1, пар Френкеля [8]. Показано, что такие волны могут содержащего N дефектов, согласно теории упругости, вызвать смещения атомов [8]. Следовательно, они могут можно записать в виде инициировать РМД, которые в свою очередь генерируют вторичные ДВ: возникает цепной процесс, усиливающий NB действие ДВ. Когда ДВ достигают границы данного B =, (3) 3aблока, они создают неоднородное давление, которое приводит к повороту блока.

где B — объемный модуль упругости, — изменение Разумеется, в исходном (идеальном) кристалле блоки объема, связанное с единичным точечным дефектом.

носят „виртуальный“ характер; в данной модели их Подставим (3) в (1) и примем типичные значения для размеры (и форма) постулируются. Интуитивно поcr и : cr = 0.05B, = 3 · 10-24 cm-3 [10]. Здесь в каченятно, что для слишком малых блоков неприемлем стве cr взят теоретический предел прочности. Почему макроскопический подход, а повороты слишком крупных берется именно теоретический предел Это связано с блоков без нарушения сплошности среды (аккомодация) тем, что размер блока много меньше типичного для поневозможны. Из структурных исследований известно, лупроводников, например для кремния, расстояния межчто области БП в аморфных материалах, например ду дислокациями (> 10-4 cm), поэтому фрагментация не в кремнии, имеют размеры около 1-2nm [5]. Для связана с движением дислокаций и в отличие от дисоценок примем размер блока равным 2 nm.

локационного механизма разрушения требует разрыва Итак, разобъем мысленно объем облученного слоя всех межатомных связей на границе блока. Из (1)-(3) на блоки. Для удобства будем считать их кубическими получаем значение критической концентрации точечных и одинаковыми (с размером a = 2nm). Примем, что дефектов ncr = N/a3 1025 cm-3. Это на два порядка верасположение блоков имеет форму „кирпичной клад- личины превышает концентрацию атомов в кремнии, что ки“ (см. рисунок), хотя это непринципиально. Оценим не имеет физического смысла. Таким образом, связанные пороговую концентрацию дефектов, необходимую для с радиационными дефектами статические напряжения аморфизации, для двух случаев: статического и динами- недостаточны для фрагментации кристалла.

ческого. в) Д и н а м и ч е с к и й с л у ч а й. В процессе облучеа) Статический случай. Пусть среднее число ния накопленные радиационные дефекты могут испыдефектов в каждом блоке равно N. Тогда (при гауссовой тывать трансформации: объединение в более сложные Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1962 Д.И. Тетельбаум, Ю.А. Менделева комплексы, их переориентацию, рекомбинацию и т. д. 3. Обсуждение результатов Трансформации сопровождаются изменением локальных Итак, механическая модель аморфизации имеет право полей деформации и, следовательно, испусканием ДВ.

на существование, но только в ее динамическом варианПри этом воздействие ДВ на дефекты может в свою те, т. е. с учетом ДВ, возбуждаемых при трансформации очередь стимулировать РМД и вызывать испускание радиационных дефектов. Безусловно, данная модель вывторичных волн. (Более детально этот процесс был зывает ряд вопросов.

описан в [11]). Таким образом, кристалл при облучении Не вполне ясно, как может происходить поворот отнаходится в состоянии „радиационной тряски“ [8], амдельно взятого блока относительно окружающего матеплитуда которой возрастает по мере увеличения конценриала без нарушения сплошности среды. По-видимому, трации дефектов. Любой выделенный объем кристалла на самом деле повороты соседних блоков носят корренаходится в поле ДВ, которые оказывают на него неколированный характер: происходит взаимная аккомодация торое, вообще говоря не всестороннее, т. е. создающее отдельных блоков, сопровождающаяся разрывом старых момент силы, давление. Это относится и к нанообъемам и образованием новых связей. (Нечто подобное проис(блокам). Оценим концентрацию дефектов, при которых ходит при формировании текстур прокатки, в этом слудавления превышают теоретический предел прочности, чае направление поворотов пачек атомных плоскостей в результате чего происходит фрагментация.

(зерен) задается направлением прокатки и объясняется При достаточно большой концентрации дефектов — дислокационным механизмом). Заметим, что сохранение источников ДВ — суммирование можно заменить интесплошности при аморфизации не является абсолютным:

грированием. Тогда давление P, связанное с дефектами аморфная фаза, как правило, содержит поры, которые в блоке 1 и действующее на правую половину верхней можно трактовать как результат несовершенной аккомограни блока 2, можно записать в виде дации.

Как уже упоминалось, в исходном кристалле (до a 1/фрагментации) блоков нанометровых размеров в общем 2rp0r0n P = dxdr = 2.5 p0r0an. (4) случае не существует (не путать с „блоками“ мозаич(r2 + x2)1/ных монокристаллов, которые обычно много крупнее и 0 присутствуют не всегда). Представление о блочности в нашем случае отражает тот факт, что при облучении Здесь ось x направлена вверх (см. рисунок), а r —радивозникают неоднородные поля напряжений, создающие альная координата в плоскости, перпендикулярной оси x.

силы, действующие на локальные области кристалла, в В (4) введены следующие обозначения: n — средняя результате чего происходит фрагментация. Размер блока концентрация точечных радиационных дефектов, p0 — ( 2nm) соизмерим с расстоянием между субкаскадами величина давления внутри источника ДВ, который считав каскадах смещений [13], т. е. фактически с характерным ется сферическим, p0 = B0, где 0 — локальная дефорпространственным масштабом флуктуаций в распредемация, вызванная точечным дефектов, r0 — эффективлении дефектов. Поэтому можно предположить, что ный радиус локально деформированной области. Типичэти флуктуации хотя и не приводят сами по себе к ные значения указанных параметров [10,12] r0 = 0.1nm, фрагментации (см. раздел 2), но создают те „слабые 0 = 10-2. При выводе соотношения (4) предполагалось, места“ (в области повышенной концентрации дефектов), что распределение дефектов однородное и амплитуда ДВ по которым происходит фрагментация в динамической убывает обратно пропорционально расстоянию от точечмодели.

ного дефекта, а диссипацией энергии ДВ на расстояних Данная модель не позволяет определить, как изменяпорядка a можно пренебречь.

ется с дозой доля объема, занятая аморфной фазой. Она Приравнивая P к критическому давлению, опредерассматривает аморфизацию как единовременный акт, ляемому теоретическим пределом прочности cr, т. е.

охватывающий область, в которой средняя концентрапринимая P = cr = 0.05B, получаем ncr 1020 cm-3.

ция дефектов достигает критического значения. В этом Экспериментальные величины ncr для Si составляют окосостоит недостаток модели.

ло 10% от концентрации атомов, т. е. 5 · 1021 cm-3 [3].

В то же время сильной стороной модели является то, В действительности наша оценка ncr занижена. Это что она согласуется с паракристаллическим строением связано с тем, что ДВ, приходящие на грань блока аморфного слоя [7] лучше, чем допущение о постепенот точечных дефектов, вообще говоря, сдвинуты по фазе ном нарушении дальнего порядка по мере накопления и могут частично гасить друг друга. Кроме того, как дефектов.

уже отмечалось, силы, действующие на данный блок со В связи с представлением о роли ДВ в аморфизации стороны других (соседних) блоков, частично уравнове- уместно заметить, что оно использовалось и для объшивают друг друга. Точно учесть влияние этих факторов яснения так называемого эффекта дальнодействия при трудно. Однако приведенная оценка показывает, что ионном облучении [11]. По нашему мнению, ДВ играют динамическая модель по крайней мере не противоречит большую роль во многих процессах в твердых телах (таэксперименту. ких как пластическая деформация, разрушение, фазовые Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Механическая модель аморфизации при ионном облучении переходы, т. е. всегда, когда происходят быстрые локаль- [13] В.Л. Винецкий, Г.А. Холодарь. Радиационная физика полупроводников. Наук. думка, Киев (1979). 336 с.

ные перестройки атомных конфигураций). К сожалению, [14] И.В. Терешко, В.И. Ходырев, Э.А. Липский, Ж.А. Рымв теории твердого тела этому фактору уделяется мало кевич, В.В. Глущенко, В.Н. Кончаленко, Д.Л. Виноградов.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.