РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ НАНОСТРУКТУР

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

2. Ключевые вопросы • 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? • 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. • Неизменность по отношению к деградации функциональных параметров наноструктурных элементов. • например, незначительная деградация фото- и электролюминесценции квантовых точек A3B5под облучением.

4. К модели радиационной стойкостинанокристаллических материалов [Герасименко Н.Н., Смирнов Д.И. // Нано- и микросистемная техника, 2008. - № 9. - С. 2-11]

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

6. Пористыйфосфид галлия В отличие от нанопористого кремния por-GaPне обнаруживает повышенной радиационной стойкости: por-GaPимеет не нано-, а мезопористую структуру. 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.В. Ушаков, В.А. Дравин, Н.Н. Мельник и др. // ФТП, 1998. – Т. 32. – № 8]

7. Нанокристаллический кремний в аморфной матрице SiO2 Спектры ФЛ слоев SiO2c 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 SiO2ионами He+ дозой 1∙1015 см-2. 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] [Г.А. Качурин, С.Г. Яновская, M.-O. Ruault и др. // ФТП, 2000. - Т. 34. - № 8. - С. 1004-1009]

8. Аморфизация монокристаллического Ge вматрице SiO2 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]

9. Аморфизация монокристаллического Ge вматрице SiO2 a) b) 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]

10. Многослойные пленочные структуры Cu-Nb • 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]

11. Многослойные пленочные структуры Cu-Nb. Моделирование 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]

12. Рентгеноструктурный анализ облученных образцов пористого кремния красн. – до облучения син. – после Доза P+ 3·1013см-2 Энергия 80 кэВ Дифракционный пик Si(004) Размер кристаллитов ~10 нм c-Si(004) por-Si(004)

13. Рентгеноструктурный анализ облученных образцов пористого кремния Доза P+ 3·1013см-2 Энергия 80 кэВ Дифракционный пик Si(004) Размер кристаллитов ~40 нм красн. – до облучения син. – после c-Si(004) por-Si(004)

14. Рентгеноструктурный анализ облученных образцов пористого кремния Доза P+ 3·1013см-2 Энергия 80 кэВ Дифракционный пик Si(004) - окисленный пористый кремний. Наличие растягивающих напряжений σ ~ 1 ГПа Размер кристаллитов ~50 нм красн. – до облучения син. – после c-Si(004) por-Si(004)

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

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

17. Заключение • 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!