Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Розділ ІІІ. Шляхи вдосконалення функціонування українських підприємств на зовнішніх ринках

В основі механізму утворення атомних зміщень при електронному опроміненні лежить пряма кулонівська взаємодія падаючих електронів з ядрами атомів опромінюваної речовини. Для здійснення зміщень атомів електрони, внаслідок їх малої маси, повинні рухатися з релятивіськими швидкостями. Згідно [7] порогова енергія, яка може бути передана при зіткнені електрона з масою m і кінетичною енергією Е, через закони збереження енергії та імпульсу, складає:

де М - маса атому, с - швидкість світла.

Для даного виразу передбачається, що m << М і Е << Mс². Якщо
Е << mс², то цей вираз перетворюється до нерелятивіського вигляду:

Ф. Зейтц та Дж. Келер [ 8 ] показали, що екранування атомного ядра електронною хмариною несуттєво для випадків взаємодії (зіткнень) швидких електронів і ядер, що супроводжуються вибиванням атомів з вузлів кристалічної ґратки. Такі зіткнення можна розглядати, як розсіяння релятивіського електрона в кулонівському полі.

В зв'язку з тим, що зворотнє розсіяння електронів має місце відносно рідко, а значно частіше відбувається розсіяння під кутом
q << 180°, та з характеру взаємодії електронів з атомами, близького до кулонівеького, слідує, що більша частина атомів набуває енергію малу порівняно з Е. Дійсно, на взаємодію з атомами достатньо швидких електронів, екранування атомного ядра електронною хмариною суттєво не впливає. На рис. 2 представлено розподіл по енергіям віддачі Е атомів германію, який бомбардували швидкими електронами з енергією 1.5 та
3 МеВ. За виключенням ділянки, що відповідає майже лобовим зіткненням, криві добре співпадають.

В [9] виходячи з елементарних уявлень, що порогова енергія Ed не залежить від напряму імпульса атому та що в кожному акті розсіяння, з одночасною передачею енергії Е > Ed, виникає один дефект Френкеля, вважається можливим підрахувати поперечний переріз Sd, що характеризує імовірність виникнення дефектів. Для обчислення концентрації дефектів Nd, створених при бомбардуванні інтегральним потоком Ф електронів на 1 см², значення Sd(E) треба помножити на Ф та число атомів N в 1 см³:

Nd = Sd(E) Ф N.

Дефекти повинні виникати при всіх зіткненнях, для яких значення кута лежить між q = 0° (лобове зіткнення) і, яке визначається з умови: E_mcos²q_max = Ed, а функція Ed(E) для кристалу, що складається з однакових атомів, визначається параметром Ed.

В ряді випадків важливо знати повну кількість атомів які зміщуються внаслідок бомбардування кристалу швидкими елекронами. Використовуючи припущення про існування порогової енергії Ed, яка не залежить від напряму падіння електронів, Кейн обрахував повну кількість зміщених атомів Nd(E), яка приходиться на один падаючий електрон, для германію та кремнію (рис.З) [10].

При розрахунку кількості зміщених атомів вважалося, що коли енергія первинно вибитого атома Е перебільшує 2Ed, то виникають вторинні та інші дефекти, і повна кількість дефектів N при такому зіткненні:

згідно каскадної теорії Дж.Кінчіна та Р.Піза [11].

Теорія розсіяння релятивіських електронів ядрами, розвинута Моттом [12] та Мак-Кінлі і Фешбахом [1З], була перевірена шляхом вивчення розсіяння в тонких фольгах; точність співпадання теорії з експерементом більша 1%. Тому характер первинного акту передачі енергії атомам кристалу швидкими електронами, на відміну від наступних стадій процесу виникнення і стабілізації дефекту, можна вважати надійно встановленим.

Гамма - кванти, так як і швидкі електрони викликають переважно виникнення дефектів структури точкового типу. Як показано в роботах В.В.Галаванова [14] та Дж. Кейна [10], імовірність виникнення зміщених атомів внаслідок безпосередньої взаємодії g-квантів з ядрами речовини кристалу, дуже мала. Основну роль в створенні дефектів відіграє дія на кристал швидких електронів, що виникають в результаті трьох основних процесів: фотоефекту і ефекту Комптона, а також пар електронів і позитронів, що виникають при достатньо високих енергіях g -квантів.

При фотоефекті вся енергія фотона передається електрону, зв'язаному на одній з оболонок атома. Кінетична енергія вивільненого фотоелектрона рівна:

E_e = hn – E_зв.

E_зв.- енергія зв'язку електрона в атомі, яка потім витрачається на іонізацію та збудження.

Комптонівське розсіяння квантів високої енергії електронами речовини приводить до передачі цим електронам енергії віддачі:
Е_в = hn-hn', де hn - початкова енергія кванта, hn' - енергія розсіяного кванта, яка залежить від кута розсіяння:

Комптонівські електрони можуть мати довільну кінетичну енергію, витрачаючи максимальну E_max, яка відповідає куту розсіяння q = 180°.

Виникнення електронно-позитронних пар можливо при умові, якщо енергія g-квантів hn більша енергії спокою цих двох частинок, яка приблизно рівна 1.02 МеВ. Для виконання законів збереження енергії та імпульсу необхідно, щоб в процесі народження пари брала участь третя частинка, наприклад, атомне ядро. Енергія фотона переходить в кінетичну енергію утворених частинок:

Переважання певного виду ефекту обумовлене величиною енергії - кванту: перший ефект найбільш імовірний при низьких значеннях енергії, другий - при проміжних і третій - при дуже високих значеннях енергій. Для даної енергії атомний поперечний переріз кожного процесу залежить тільки від атомного номеру Z поглинаючої речовини. З риc. 4 видно, що для звичайних рентгенівських променів фотоелектричний ефект має найбільший поперечній переріз (виключаючи найбільш легкі елементи). Для g – променів реактора чи g – променів радіоактивного кобальту та джерел випромінювання, що містять продукти розпаду, ефект Комптона має найбільший поперечний переріз, не враховуючи речовин з дуже великим значеням атомного номера Z.

Для таких речовин частину спектру з низькою енергією утворюють фотоелектрони, а частину спектру з високою енергією приводить до утворення пар.

У всіх трьох процесах енергія вибитих електронів і енергія - променів значно не відрізняються. Отже, опроміненя g-квантами завжди спричиняє внутрішнє бомбардуваня речовини електронами з дуже високою енергією. Повний переріз поглинання g-квантів визначається трьома вказаними процесами.

Крім ефекту внутрішнього бомбардування електронами і прямої віддачі при взаємодії з g-квантами, було запропоновано два інших можливих механізми атомних зміщень під дією g-променів. Обидва механізми передбачають перетворення енергії електронного збудження в енергію зміщення. Згідно першого механізму, запропонованого Зейтцем [15], при опроміненні утворюються ексітони, які рухаються в кристалі, поки не зустрінуть якого-небудь пошкодження ґратки. В цьому місці енергія ексітона передається гратці з утворенням локально нагрітої області. Нерівності в лініях дислокацій стимулюють такий процес передачі енергії і короткочасне нагрівання ґратки в цих місцях може викликати закріплення дислокації, тобто на таких нерівностях може відбуватися "викіпання" вакансії. При цьому виділяється енергія порядку 10 еВ, що достатньо для утворення вакансії. Внаслідок наступного поглинання екситонів дефектами гратки можлива міграція точкових дефектів від місця їх утворення.

Другий механізм зміщення був запропонований Варлі [16]. Цей механізм добре застосований до речовин з сильними іонними зв'язками. При опроміненні зарядженими частинками, g-квантами деякі від'ємні іони будуть позбавлені двох ібільше електронів і на певний час набудуть додатнього заряду. Відірвані від атома електрони рухаються в кристалі, а утворений при цьому додатній іон перебуває в дуже нестійкому стані, тому що він оточений іншими додатніми іонами. Таке нестійке розташування може привести до переходу цього іона в міжузловий етан, де він за кінцевий проміжок часу набуває достатню кількость електронів для нейтралізації. Вакантне місце в гратці може захопити електрон і перетвориться в F-центр. Міжузловий атом буде перебувати в своєму новому положенні, або при зростанні температури буде мігрувати, поки не буде захоплений яким-небудь дефектом.

На закінчення важливо відмітити, що в порівнянні з електронним опроміненням, g – опромінення дозволяє вводити дефекти рівномірно по всьому об'ємі зразка.

Рис. 2. Poзподіл по епергіях віддачі атомів германію, опроміненого електронами: неперервна лінія - 1.5 МеВ, штрихова лінія - 3 МеВ.

Рис.3.Кількість зміщених атомів на один падаючий швидкий електрон для германію та кремнію при різних Ed.

Рис. 4. Поперечний переріз поглинання g -квантів для германію.

t- фотоефект;

s - ефект Комптона;

k - утворення електронно-позитронних пар;

m - повний поперечний переріз.

2.3. ДОПОРОГОВЕ ДЕФЕКТОУТВОРЕННЯ

Відомо, шо при передачі (внаслідок пружної взаємодії з високоенергетичними частинками) атомам речовини енергії більшої порогової енергії зміщення E_d, виникають елементарні радіаційні пошкодження гратки. Але, в принципі, можливе виникнення таких умов безударної передачі енергії, при яких дефекти утворюються і при енергіях менших порогової E_d.

Велика кількість дефектів створюється при опроміненні напівпровідників м”якими рентгенівськими променями і низькоенергетичними електронами з енергіями Е= ІО-ІОО МеВ, що значно менше тих значень, які несуть високоенергетичні частинки і кванти (з Е = 1-10 МеВ), здійснюються пружні зміщення атомів речовини. В іонних лужно-галоїдних кристалах первинні дефекти виникають навіть при впливові на них ультрафіолетової радіації.

Процеси підпорогового дефектоутворення розглянуті в моногографіях та оглядах [9,17-21]. Результати дослідження оптичних властивостей лужно-галоїдних кристалів дозволили висунути гіпотезу про те, що джерелом низькоенергетичного дефектоутворення в твердому тілі є зникнення електронних збуджень з передачею енергії кристалу. Оскільки, при жорсткому опроміненні значна частина енергії швидких частинок витрачається на непружне збудження електронної підсистеми кристалу, то принципово можна вважати, що значні електронні збудження виникають і при низькоенергетичному опроміненні речовини.

З іншого боку, наявність в гратці електронних збуджень, іоннізованих атомів,електронів і дірок, екситонів, та ін., в принципі, може привести до неадіабатичних процесів, зміни потенціального рел”єфу гратки і тим самим стимулювати вихід атомів гратки в міжвузловий стан. Цей процес буде викликатися енергетичним збудженням електронної підсистеми кристала.

Необхіно відмітити також, що опроміненя матеріалу крім народження нових дефектів може стимулювати і процеси міграції та перерозподілу уже наявних в кристалі точкових дефектів, домішок та їх комплексів.

Існує декілька механізмів підпорогового дефектоутворення, які мають певні переваги та недоліки при застосуванні до радіаційних процесів в різних матеріалах.

Екситонні і електронно-діркові механізми дефектоутворення характерні для лужно-галоїдних кристалів (ЛГК), які стали базовим матеріалом для встановлення основних закономірностей підпорогових зміщень в твердих тілах. Відомо, що при опроміненні кристалів NаСІ, КС1, КВг та ін. рентгенівськими променями з енергією ІО-ІОО кеВ, вони набувають характерного забарвлення. Внаслідок досліджень [22} було встановлено, що це явище - наслідок утворення так званих F- центрів, що являють собою вакансію галоїда з захопленим електроном. Лужно-галоїдні кристали мають просту кубічну гратку, в вузлах якої симетрично розміщені додатні іони лужного металу - катіона (наприклад, іони Na або К) і вїд”ємно заряджені іони галоїда - аніона (наприклад, С1). Вакансія галоїду в гратці має додатній заряд, який сприяє захопленню електрона. Такий F-центр має характерний спектр поглинання у видимій області.

Встановлено [19,20],що в лужно-галоїдних кристалах при низькоенергетичному опроміненні внаслідок розпаду електронних збуджень створюються точкові дефекти гратки. Розроблена модель механізму розпаду екситонних (е) та електронно-діркових (е⁺,е^-) збуджень з утворенням компонентів пар Френкеля: вакансій (V) і міжвузлових атомів (І), поряд з процесом народженням F-центрів (Fц), який схематично можна записати:

е V_е+ = Fц + 1°

е^-+е⁺ V⁺_e- =Fц+1°

При опроміненні лужно-галоїдних кристалів в них утворюються вільні екситони, які швидко рухаються по градці і утворюють автолокалізовані екситони на вузлах, де розміщені від”ємні атоми галоїду. Звільнений при цьому електрон захоплюється утвореною вакансією, а нейтральний атом галоїда віддаляється на значну відстань, рухаючись по гратці більш вільно. Таким чином утворюються віддалені, стабільні дефекти - F-центр та міжвузловий атом.

Розвиток уявлень про екситонні та електронно-діркові механізми для процесів підпорогового дефектоутворення в напівпровідниках викликає значні труднощі.

Більш ефективним для пояснення процесів дефектоутворення у напівпровідниках виявився іонізаційний механізм Варлі [16], розглянутий в попередньому параграфі. Слід доповнити, що ефективність іонізаціі глибоких атомних рівнів (K,L,M...) внаслідок ефекту Оже більша, ніж валентних оболонок, як здається на перший погляд. Для з’єднань АЗВ5, та А2В6, модель Варлі добре застосовна, так як в хімічних зв”язках цих напівпровідників переважає значна доля іонності. Як вважають автори [18,19,201, самим важливим моментом домішково-іонізаційного механізму є наявність в градці саме додатньо зарядженої домішки, яка відіграє визначальну роль в процесі. Основу механізму складає виникнення в опроміненому матеріалі іонів з багаторазово іонізованими глибокими оболонками. На відміну від узагальненої моделі Варлі, де вважається, що збуджений іон у нестійкій конфігурації виштовхується в міжвузловий стан термічно, в теорїї Клінгера [19] розглядається атермічне народження дефекту, тобто без участі коливних рухів атомів гратки. Вважається, що в напівпровіднику можлива ситуація, коли внаслідок глибокої іонізації поряд виникне два або група додатньо заряджених іонів, які будуть електростатично відштовхуватись. Дана взаємодія настільки переважає інші взаємодії в градці, що викидає один із взаємодіючих іонів в міжвузловий стан без допомоги теплових коливань гратки. Через домішково- іонізаційний механізм можливе утворення багатьох видів дефектів:

-міжвузловий домішковий атом + вакансія ґратки,

-близька пара Френкеля + домішковий атом заміщення,

-міжвузловий власний атом + комплекс: вакансія-атом домішки заміщення та ін.

2 .4. ВИНИКНЕННЯ РАДІАЦІЙНИХ ПОШКОДЖЕНЬ ПІД ДІЄЮ НЕЙТРОНІВ І ВАЖКИХ ЗАРЯДЖЕНИХ ЧАСТИНОК

Взаємодія нейтронів з атомами опромінюваної речовини може ві дбуватися у вигляді прямих зіткнень, внаслідок відсутності у нейтрона заряду. Швидкий нейтрон передає при зіткненні з ядром імпульс. При віддачі ядра, воно захоплює з собою і власну електрону хмару. Існує значна ймовірність, що найбільш слабко зв”язані електрони зовнішньої оболонки будуть відірвані від атома. Пружне розсіяння швидкого нейтрона є найбільш ймовірним процесом. Інтервал енергії, що передається ядром, змінюється від нуля до Е:

де E_n- кінетична енергія нейтрона, М_n- маса нейтрона.

Розподіл енергії атомів віддачі зв”язаний з кутовим розподілом розсіяних нейтронів. В найбільш простішому випадку вважають розсіяння нейтронів ізотропним,і тоді всізначення енергії віддачі від нуля до Е рівноймовірні з середнім значенням Е_А =1/2 ЕАМАХ. Швидкі нейтрони, що виникають при поділі ядер мають енергію від нуля до 10МеВі переріз, що характеризує ймовірність розсіяння порядку

(І-ІО)хІО²⁴ cm ². Якщо вважати середню енергіюнейтроніврівну 2 МеВ, то з формул випливає, середня енергіяядервіддачі рівна

де А –атомна вага.

Середня енергія атомів віддачі при бомбардуванні швидкими нейронами в багато разів перебільшує середню енергію атомів віддачі, які виникають при бомбардуванні зарядженими частинками a-частинки, протони) з тією ж енергією що є наслідком відмінностей в процесах розсіяння.

В експерементальних роботах [8,23]показано, що ізотропний механізм розсіяння нейтронів недуже точний і в дійсності нейтрони з енергією поряку 1 МеВ розсіююєтьсяпереважно вперед. Внаслідок цього середня енергія виявляється меншою енергії, обчисленої для ізотропного механізму. Можливі також процеси непрухного розсіяння, які приводять до зниження середньої кінетичної енергії віддачі.

Ефект анізотропії розсіяння знижує значення Е_А для багатьох елементів на 30- 50 % для нейтронів з енергією біля 1-2 МеВ. При збільшені енергії нейтронів поправка збільшуеться.

Середня кінетична енергія, яка передається ядрам атомів швидкими нейтронами, а також важкими зарядженими частинками з енергією декілька МеВ, в атомах розсіяння, перевищує поріг утворення дефектів E_d. Вибиті з вузлів атоми в свою чергу можуть породжувати каскад вторинних зміщень, внаслідок чого повне число точкових структурних дефектів завжди значно більше числа атомів розсіяння швидких нейтронів у кристалі. Число первинно вибитих в одиничному об"ємї атомів N_p рівне

N_p = Ф ± N₀ s_а,

де Ф - потік нейтронів. N_o - число атомів в 1см³, s_α -поперечний переріз зіткнень. При бомбардуванні нейтронами звичайно вважають, що s_α = σ_T, де σ_T- повний переріз взаємодії нейтронів. Якщо ν-усеренене по енергії число атомів, зміщених в первинних актах, включаючи і сам первинний атом, то повне число зміщених атомів в 1 см³ буде N_d=ν N_p

Для обрахунку каскадного розмноження дефектів в кристалі автори робіт [ 8, 24, 25 ] використовувалидеякіприпущення, зокрема, Кінчін і Піз вважали:

а) щопервиннийатом іонізує речовину, якщо його енергія

менша граничної

I М _J

Е_J =---------- ------------ Е_g

8 m

дe m_j - маса рухомого атома, m- маса електрона, E_g- ширина забороненої зони;

б)рухомі атоми з енергією меншою Е пружно взаємодіють з

атомами градки;

в)якщо після удару енергія атома Е_А більша порогової E_d, то

атом покидає вузол, і залишається при Е_А< E_d;

г)аналогічна умова зберігається і для налітаючого атома.

В розрахунках Ф.Зейтца [ 8 ], В. Снайдера і Дж.Нейфельда [25], приймалося, що налітаючий атом втрачає частину кінетичної енергії, рівну E_d, ще до взаємодії з іншими атомами, причому цей атом не може залишатися у звільненому вузлі. В роботі [26] каскадний механізм розглядали з точки зору законів зіткнення твердих куль, які добре застосовні у випадку високих енергій. Але кількісні результати значно не відрізняються через відмінності в моделях. При бомбардуванні зарядженими частинками з енергією приблизно 1 МеВ утворюються в основному малі групи дефектів у порівнянні з опроміненням швидкими нейтронами в реакторі, що є прямим наслідком відмінностіміж розсіянням в кулонівському полї і розсіянням нейтронів ядрами.

Згідно уявлень каскадних моделей, центральна частина розупорядкованої області насичена вакансіями, а її околиці-міжвузловими атомами. Утворення області розупорядкування відбувається на чотирьох стадій [27]:

1)взаемодія налітаючої частинки з атомом кристалу, з утворенням каскаду зміщень;

2)термалізація області збудження;

3) стабілізація в умовах просторового розділу простих дефектів;

4) встановлення рівоваги між областю розупорядкування та оточуючою матрицею.

Згідно першої моделі, запропоновані Клеландом, Крауфордом [28,29] і Госсіком [ЗО],область розупорядкування має сферичну форму з розміром R і з великою концентрацією дефектів. Ядро області розупорядкування - вакансії таїхкомплекси, концентрація яких зростає при збільшенні енергії опромінених частинок. При збереженні кристалічної структури густина дефектів всередині розупорядкованої області досягає граничних значень порядку 10¹⁸-10¹⁹ cm^-3 [29]. Утворення вакансійних комплексів всередині області розупорядкування та дифузія вакансій за її межі обумовлюється зарядовим станом вакасій та їх іонізацією в процесах утворення та перебудови дефектів.

Зейтц і Келлер [ 8 ] вважали, що в початковий момент збудження в речовині може бути настільки великим, що значна частина атомів в збудженому об"ємі розупорядковуеться і використали для цього випадку термін displacement spike (клин зміщення). Якщо енергія первинного атома велика і точки його взаємодії з атомами гратки достатньо віддалені один від одного, то області ударного теплового збудження можна вважати сферичними. Внаслідок сповільнення первинного атома ці області починають перекриватися. Цей процес можна розглядати як рівномірне виділення теплової енергії вздовж шляху первинного атома.

Брінкман [ЗІ] розробив ще більш чітку теоріюутвореннядефектів для випадку великих енергій первиннихатомів. Середня відстань між зіткненнями, які приводятьдоутворення вторинних атомів, порівнюється зміжатомнимивідстанями уже при енергії первинного атома 2x10⁴eB. Атоми з такою енергією гальмуються дуже швидко, утворюючидуже насичену область вторинних зміщень,де неможливо виділити окреме зміщення. Тобто значена кількістьатомів у циліндричному об"ємі перейде в розупорядкованийстан, подібний до рїдини чи пари. Брінкман вважав, що перебудова полягає в переміщені речовини в клині. Розміщені вздовж осі центральні атоми енергійно дифундуютьна зовні і зупиняються в сусідній області, відбувається процес інверсії (рис.5). Починаючи від зовнішньоїграниці, розупорядкована область знову кристалізуєтьсяза час 10^-10-10^-12с. Причому, значна кількість атомів знов розміститься в попередніх вузлах гратки. Важливим фізичним наслідком моделі Брінкмана є висока ступіньпереміщення в клині.

Високоенергетичні частинки можуть генерувати пошкодження і не сферичної форми. Дефектна область може виявитися розщепленою на декілька підобластей із-за процесів каналування і фокусування при зіткненнях, а також при передачі атомам дуже високої енергії на початку каскаду. Модель Госсіка не могла пояснити результатів дослідження просторового розподілу дефектів у сильно опромінених кристалах [30]. В [32] була запропонована модель деревоподібного надкластера який складається з підкластерів з високою концентрацією дефектів (10²¹см^-3 при середній конценрації для всього надкластера 10¹⁸см^-3. Підкластери виникають в кінці пробігу вибитих атомів. В центральній частині і на переферії надкластера дефекти утворюються із зміщень, що виникають вздовж треків вибитих атомів гратки.

Складні дефекти та їх комплекси, зокрема області розупорядкування, в структурі опроміненого кристалу являють собою електрично активні центри, які значною мірою впливають на електрофізичні властивості кристалів, змінюють їх електропровідність, зменшують рухливість [33]. Значні розміри пошкоджених областей збільшують розсіяння світла в матеріалі, впливаючи на механізми поглинаня. Зростання концентрації складних дефектних утворень приводить також: додеградації інтенсивності люмінесценції [34], до зміни інших оптичних властивостей напівпровідників [35].

рис.5.Клин зміщення по Брінкману [31].

о - звичайний атом, • - міжвузловий атом. Шлях первинної частинки зображено суцільноюлінією, а шлях первинно вибитого атома – штриховою.

Розділ ІІІ. Шляхи вдосконалення функціонування українських підприємств на зовнішніх ринках