А.К. Даулетбекова
Радиационностимулированная агрегатизация радиационных дефектов в кристаллах фторида лития облученного ионами криптона и ксенона
(Евразийский национальный университет им. Л.Н.Гумилева, г. Астана )
Эффективность создания Fи Fnцентров в кристаллах LiF, облученныхионами криптона с энергиями 147 MeV и 195 MeVисследовалась в зависимости от флюенса ионов и интенсивности потока. В случае облучения ионамиKr с флюенсом 8.9×109 ионов / ( cм2×с) насыщениеFцентров (∼ 1019см−3) наблюдалось прифлюенсе 1012ионов/cм2. Дальнейшее облучение уменьшает концентрациюFцентров. В LiF, облученном обеими ионами наблюдалось увеличениеколичества электронных центров окраски (F и Fn) при увеличении флюенса. В кристаллах LiF, облученных ионами Kr, увеличениеFnцентров наблюдалось после термического отжига до 600 K. Обсуждаются механизмы процессов.
1. Введение
Большая часть исследований радиационных дефектов в диэлектрических материалах вызванных ионным облучением опубликована в последние десятилетия (см. обзоры [1] и [2]). В статьях [3, 4] наблюдалось увеличение электронных центров окраски (F и Fn) в кристаллах LiF, облученных ионами Au с энергией 5 и 10 МэВ при высоких интенсивностях потока ионов и больших флюенсах. Эффект зависит и от поглощенной энергии, флюенса и от интенсивности потока. Детальный механизм увеличения электронных центров окраски не ясен. В литературе [4] было показано, что взаимодействие H центров приводит к формированию молекул фтора (X2) (H +H → X2), которые играют существенную роль в повышении электронных центров окраски. Формирование молекулы фтора приводит к уменьшению рекомбинаций H- центра с электронными центрами окраски (например.F+H → 0). Наши предварительные исследования [5, 6] подтвердили эти результаты.
Цель статьи проанализировать эффективность создания F и Fn центров в кристаллах LiF, облученных ионами Kr и Хе во время облучения с различными интенсивностями потока, а так же как преобразование этих центров окраски при термическом отжиге.
2. Эксперимент
Для экспериментов использовались высококачественные кристаллы LiF, выращенные в вакууме (ГОИ, Санкт-Петербург, Россия). Пластинки 10×10 мм2 и с толщиной приблизительно 1 мм были облучены при комнатной температуре нормально к одной из плоскостей (001) ионами с энергией 147 МэВ Kr+14 (длина пробега R=17.8 µm, dE/dx = 12 кэВ/нм) и 195 МэВ Xe+20(R= 17.3 µm, dE/dx = 18.5 кэВ/нм) на циклотронном ускорителе DC-60 (Астана). Флюенс изменялся по диапазону от 8×1010 до 1013ионов/см2 с плотностью ионного тока от 20 до 200нА/см2. Соответствующая интенсивность ионного потока (φ) равна φ = 6.24×109 × iion/q [ионов / (см2×с)], где iion - плотность ионного тока [нА/см2], и q - заряд иона.
Оптические измерения были выполнены на спектрометре CΦ-103 в спектральном диапазоне 1.8 эВ (700 нм) - 6.2 эВ (200 нм) и соответствующее поглощению главных электронных центров окраски (F, F2, F3, F4). В спектрах поглощения доминировали F и F2 центры. Концентрация F и F2 центров (см−2) была оценена с помощью формулы Смакулы - Декстера [7]:
nF = 9.48×1015×D(F)(1) nF2 = 4.42×1015×D(F2)(2)
где D(F)и D(F2)− оптическая плотность в максимумах поглощения F и F2 центров соответственно. Средняя объемная концентрация может быть оценена, делением nF и nF2 на длину пробега, то есть. NF = nF/R и NF2 = nF2/R. К сожалению, дополнительные к электронным центрам окраски дефекты V3 центров имеют поглощение в вакуумной УФ спектральной области (максимум в 10.8 эВ (114 нм)) и не могут быть проанализированы
с использованием нашей техники [8]. Для измерения высокотемпературной ТСЛи спектров поглощения после отжига использовалось считывающее устройство SYSTEM 310 TLD, изготовленный фирмой BROWN TELEDYNE ENGENERGING, США (рис.1). Нижний уровень измерений прибора ограничен чувствительностью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), измерение образцов при температуре выше 500 С ограничено инфракрасным излучением от нагревающего элемента. Нагрев исследуемого образца происходит в среде газообразного азота, который используется для уменьшения шума при измерении.
Рис.1.Блок схема термолюминесцентного дозиметра (TLD): 1 - эталонный источник света, оптоволокно;
2 - ФЭУ (PMT); 3 - подложка - нагревательный элемент; 4 - устройство измерения температуры инфракрасной головкой; 5 - баллон с азотом; 6 - источник высокого тока; 7 - контролер (РС-controller); 8
- персональный компьютер (РС).
3. Результаты и обсуждение
Мы изучили создание центров окраски в облученных кристаллах LiF в зависимости от флюенса в постоянной интенсивности потока, а также в зависимости от интенсивности ионного потока при постоянном флюенсе через поток в постоянном флюенсе.
Рис.2.Спекторы поглощения Рис.3.Зависимость объемной кристаллов LiF, облученных ионами концентарции (c−3)F и F2 центров криптона 147 МэВ, флюенс 8,9 × 109 зависимости отфлюенса в кристаллах LiF,
ионы /(c2 × с). облученных ионами криптона (см.
Рис.1).
3.1. Зависимость от флюенса
Зависимость спектров поглощения и концентрация центров окраски от флюенса при постоянной интенсивности ионного потока φ = 8.9×109 ионы/ (см2×с) для кристаллов LiF, облученных ионами криптона представлены на Рис. 2 и Рис. 3. Специальный эксперимент показал, что ионы вызывают увеличение температуры образцов при интенсивности ионного потока 8.9×109, ионы/ (см2×с) не выше 30˚C.
Эффективность создания F центра может быть оценена средней энергией(∆EF). Для создания F центра согласно [8]:
∆EF =Eion × Φ/nF , (3)
где Eion [эВ] - энергия иона, Φ [ионы/см2] - флюенс и nF - число созданных F центров. Значение ∆EF увеличивается с 1.6 кэВ для Φ = 8×1010ионы/см2 до 6.1 кэВ для Φ = 1012ионы/см2 (максимум концентрации F центров). В спектрах поглощения c энергией фотона меньше чем 4 эВ доминирует поглощение F2 центров (максимум в 2.79 эВ). Поэтому мы использовали концентрацию F2 центров для характеристики создания Fn центров. Концентрация F2 увеличивается с флюенсом (Рис. 2) от NF2 = 3.4×1017 см 3 (Φ = 8×1010) до NF2 = 3×1018 см 3 (Φ = 3×1012). Это объясняетсяперекрываением соседних треков, которое приводит к высоким рекомбинационным потерям (увеличение ∆EF) и к более высокой концентрации F2 центров.
3.2. Зависимость от интенсивности ионного потока
Рис.4.Спекторы поглощения Рис.5.Спекторы поглощения
кристаллов LiF, облученных ионами кристаллов LiF, облученных ионами криптона для различных интенсивно- криптона для различных интенсивностей стей ионного потока при постоянном ионного потока при постоянном флюенсеФ =6× 1012ионы/c2.
флюенсе Ф= 1012 ионы/c2
Зависимость от интенсивности ионного потока φ определяется главным образом взаимодействием первичных пар Френкеля в процессе облучения [3, 4]. В статье [4] была продемонстрирована роль первичных H центров при высоких значениях интенсивности ионного потока. Взаимодействие Hцентров в обычных условияхприводит к формированию V3 центров (X0X−X0 =X3− - трехгалоидная молекула в решетке) или молекулы ди-галоида (X2) по реакции H + H → X2. Молекулы ди-галоидов могут формировать пузырьки галогена, которые играют решающую роль при высоком флюенсе и высокой интенсивности ионного потоке и предотвращают рекомбинации дырочных центров с F и Fn центрами.
Результаты зависимости от интенсивности ионного потока для LiF, облученного ионами криптона и ксенона, представлены на Рис. 4 и Рис. 5. Для сравнения соотношений концентрации единичных F и Fn центров мы используем интеграл поглощения согласно [7]:
AF = Z5.8
4.2
D(E)dE, (1)
Для Fцентров
AF n=
4.2
Z
1.8
D(E)dE, (2)
для Fn, где D - оптическая плотность и E - энергия фотона.
Для кристаллов LiF, облученных ионами Kr отношение ξ=AF n/AF является постоянным при всех используемых значениях интенсивности ионного потока и равняется ξ = 0.8 ± 0.2. Это говорит о насыщении для F и Fn центров (Рис. 4). Необходимы дополнительные эксперименты, чтобы исследовать оба влияния поглощенной энергии (флюенса) и интенсивности ионного потока.
Анализируя среднюю энергию создания F центра ∆EF (Рис. 4), мы нашли, что ∆EF уменьшается с 67 кэВ при φ= 1.78×1010 до 50 кэВ при φ = 8×1010 (ионы/см2×с). Это показывает увеличение взаимодействия между Н центрами, приводящими к увеличение F и Fn центров.
Подобные явления мы наблюдали для кристаллов LiF, облученных ионами ксенона с флюенсом 1013ионы/см2 (Рис. 5). Значение ∆EF для самого низкого значения интенсивности ионного потока - 111 кэВ, и оно уменьшается для самого высокого значения интенсивности ионного потока φ = 2.5×1010 ионы/ (см2×с) до ∆EF = 82 кэВ. Более высокие значения ∆EF для LiF, облученного ионами ксенона, определены более высокой энергией поглощения Eabs =Eion× Φ (2×1021эВ/см2 для ксенона), чем для ионов криптона (9×1020эВ/см2). При более высоких энергиях поглощения энергия создания F центра ∆EF
уменьшается из-за более высоких рекомбинационных потерь [7]. Отношение AF n/AF для кристаллов LiF, облученных ионами ксенона с энергией 195 МэВ, были меньше (ξ = 0.58), чем при облучении ионами криптона. Это демонстрирует, что при облучении ионами ксенона насыщение не достигается.
На Рис. 6 представлена зависимость NF, концентрации F центров от интенсивности ионного потока. Линейная зависимость NF ∼ φ1/3 согласно [4] определяется созданием молекул галогена (H + H →X2).
Рис.6.Концентрация F(Nf,3) Рис.7.Спекторы поглощения кристаллов центров от интенсивности ионного LiF,облученных ионами ксенона c потока (ϕ) Зависимость N
Feϕ1/3 147 МэВ при флюенсе 6 ×
1012ионов/см2пр
указывает на формирование и комнатной температуре
молекул фтора [4] и после термического отжига
3.3. Термический отжиг
Термический отжиг кристаллов LiF, облученных тяжелыми ионами, зависит от потери энергии ионами, от флюенса [7, 10]. Во время термического обжига имеют место два различных процесса: (1) разрушение V3 центра с с созданием H центров(V3 → H + H); (2) диффузия одиночного F центра с последующим формированием сложных электронных центров окраски, согласно реакциям F +Fn → Fn+1, F+F → F2, F +F2 → F3 и т.д. [9, 10]. Процесс
отжига зависит от начальной дефектной структуры в облученном кристалле LiF при комнатной температуре и при температуре отжигаT<500 KF центры не подвижны, и разрушение V3 центров приводит к рекомбинации с электронными центрами согласно F + H → 0 и уменьшениюпоглощения F центров. При более высокой температуре помимо рекомбинации центров с электронными центрами окраски также возможна коагуляция электронных и дырочных центров (F + Fn → Fn+1 или H + H → X2). Было показано, что в кристаллах LiF, облученных тяжелыми ионами даже при высоком флюенсе (высокие энергии поглощения), не наблюдаются металлические коллоиды лития [7,8]. Металлические коллоиды (Li, Mg) в облученных тяжелыми ионами кристаллах LiF наблюдаются только после термического отжига при высоких температурах [3].
Мы изучили термический отжиг в кристаллах LiF, облученных ионами криптона с энергией 147 МэВ при флюенсе 6×1012ионов/см2 (Рис. 7). Отжиг до 513 K и 593 K приводит к уменьшению поглощения и для одиночных F центров и для Fn центров. Наблюдалось весьма сильное уменьшение концентрации F центров (приблизительно в два раза при 513 K и больше чем в 10 раз при 593 K). Однако, отношение Fn центров к F центрам, оцениваемое поглощением AF n/AF, увеличивается с температурой отжига от 0.66 при 300 K до 1.36 при 513 K и приблизительно 3 при 593 K (Рис. 7). Это показывает, что во время термического отжига приблизительно до 600 K в сильно облученном LiF (при высоком флюенсе) доминируют реакции коагуляции (Fn → Fn+1).
Результаты наших опытов демонстрируют два явления взаимодействия центров окраски при облучении (зависимость от флюенса и от интенсивности ионного потока) так же как и в процессе термического отжига сильно облученных кристаллов LiF.
Зависимость от флюенса может быть легко объяснена перекрыванием соседних треков, то есть облучением уже облученной области кристалла. В результате создаются более сложные центры окраски (Fn) (Рис. 1 и Рис. 2). Увеличение Fn центров имеет место, когда объемная концентрация единичных F центров достигает значения приблизительно 1019 см−3 [10, 11].
После насыщения F центров дополнительное облучение приводит к уменьшению единичных F центров с дальнейшим увеличением F2 центров.
Отношение концентрации Fn и F центров для сопоставимых флюенсов увеличивается с увеличением величины интенсивности ионного потока (Рис. 3 - 5).
Зависимость от интенсивности ионного потока определяется процессами во время облучения. Рост центров окраски (F и Fn) зависит от обоих параметров - флюенса (то есть поглощенной энергии) и интенсивности ионного потока [3]. Как было показано, рост более эффективен при высоком флюенсе и высокой интенсивности ионного потока. В кристаллах LiF мы наблюдали большое отношение интеграла поглощения AF n/AF, который близок к насыщению (рис. 4 и 7). Для лучшего понимающие необходимы более детальные исследования с изменениями флюенса и интенсивности ионного потока.
К сожалению, у нас нет никаких прямых измерений показывающих наличие и количество молекул фтора в облученных кристаллах. Однако, во многих исследованиях молекулы галогена - одни из конечных продуктов радиолиза в ионных кристаллах (см. [9, 11, 12, 13] и ссылки ниже). Таким образом, наши косвенные заключения о роли создания молекулы фтора во время облучения при высоких интенсивностях ионного потока (рост F и Fn центров Рис. 3 и Рис.
4), также зависимость NF ∼ φ1/3 (Рис. 5) оправданы.
Результаты увеличения отношения интеграла поглощения во время термического отжига приблизительно до 600 K показывают, что формирование молекул фтора (взаимодействие H центров) и происходит также при термическом разрушении V3 центров. Вероятно, рост Fn центров во время обжига происходит только при высокой начальной концентрации Fn центров.
5. Выводы
Были изучены процессы создания центров окраски в кристаллах LiF облученных ионами криптона и ксенона в зависимости от флюенса и интенсивности ионного потока.
В кристаллах LiF, облученных ионами 147 MeV флюенсом 9×109, ионов/ (см2×s) насыщение происходят при флюенсе =1012ионов/см2, где объемная концентрация F центров достигает приблизительно 1019 см −3. Облучение более высокими флюенсами приводит к уменьшению концентрации единичных F центров из-за коагуляции Fn центров. Наблюдался рост электронных центров окраски (F и Fn) в кристаллах LiF, облученных ионами Kr и Xe высокими интенсивностями ионного потока. Рост увеличивается со значением интенсивности потока.
Мы наблюдали также рост Fn центров во время термического отжига жестко облученных кристаллов LiF ионами криптона.
Мы предполагаем, что рост F и Fn центров во время облучения и рост Fn центров во время термического отжига определяютсявзаимодействием центров с формированием молекулы X2.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. N. Itoh, D. M. Duffy, S. Khabakshouri, A. M. Stoneham, J. Phys.: Condens. Matter21, 474205 (2009).
2. K. Schwartz, C. Trautmann, R. Neumann, Nucl.Instr. Meth.B 209, 73(2003).
3. A. Lushchik, Ch. Lushchik, K. Schwartz, E. Vasil’chenko, R. Papaleo, M. Sorokin, E. Volkov, R.
Neumann, C. Trautmann, Phys. Rev. B76, 054114 (2007).
4. K. Schwartz, M. V. Sorokin, A. Lushchik, Ch. Lushchik, E. Vasilchenko, R. M. Papaleo, D. de Souza, A. E. Volkov, K.-O. Voss, R. Neumann, C. Trautmann, Nucl. Instr. Meth.B266, 2736 (2008).
5. A. Dauletbekova, A. Akilbekov, M. Zdorovets, Phys. Status Solidi B 247, 1227 (2010).
6. A. Dauletbekova, A. Akilbekov, M. Zdorovets, A. F. Vasil’eva, D. A, Akilbekova, Nucl. Instr.
Meth. B 268, 3005-3008 (2010)
7. K. Schwartz, C. Trautmamm, A. S. El-Said, R. Neumann, M. Toulemonde, W. Knolle, Phys. Rev.
B70, 184104 (2004).
8. A. T. Davidson, K. Schwartz, J. D. Comins, A. G. Kozakiewitz, M. Toulemonde, C. Trautmann, Phys. Rev. B 66, 214102 (2002).
9. Ch. Lushchik, A. Elango, R. Gindina, L. Pung, A. Lushchik, A. Maaroos, T. Nurakhmetov, L.
Ploom, Semiconductors and Insulators 5, 133 (1980).
10. K. Schwartz, C. Trautmamm, T. Steckenreiter, O. Geiß, M. Kr¨amer, Phys. Rev. B 58, 11232 (1998).
11. A. E. Kotomin, I. Popov, „The kinetics of radiation-induced point defect aggregation and metal- lic colloisd formation“ In: Radiation Effects in Solids, Eds. K. E. Sickafus, E. A. Kotomin, B. P.
Uberunga, Springer, Amsterdam, 2007, pp. 153 – 182.
12 P. J. Ring, J, G, Keefe, P. J. Bray, Phys. Rev. Letters ,1, 453 (1958).
13 C. D. Knutson, H, O, Hooper, P. J. Bray, J. Phys. Chem. Solids 27, 147 (1966).
Даулетбекова А.
Криптон ионымен сәулелендiрiлген фторлы литий кристалындағы радиациялық ақаулардың радиациялық- мәжбүрлiк шоғырлануы
147 MэВ энергиялы криптон және 195 MэВ энергиялы ксенон иондарымен сәулелендiрiлген LiF кристалындағы F және Fn центрлердiң пайда болу тиiмдiлiгiнiң флюенске және иондар ағынын интенсивтiгiне байланысы зерттелген.
Флюенсi 8.9×109 ионов / ( cм2×c) болатын криптон ионы үшiн F центрлердiң қанығуы ( 1019cм−3) ксенон ионы үшiн 1012ионов/cм2 флюенсте байқалады. Одан арғы сәулелендiру F центрлердiң кемуiн көрсетедi. Екi ион үшiнде флюенстiн өсуi электрондық центрлердiң (F и Fn) көбейуiне ықпал жасайды. Криптон ионымен сәулелендiрiлген LiF кристалын 600К температураға дейiн қыздырғанда Fn центрлерiнiң өсуiн бақылауға болады. Осы өұбылыстардың механизмi талқыланады..
Dauletbekova A.
Radiation- stimulated aggregation of radiation defects in lithium fluoride crystals irradiated with krypton and xenon ions
The efficiency of F and Fn center creation in LiF crystals irradiated with 147 MeV Kr and 195 MeV Xe ions was studied via ion fluence and flux. Saturation of F centers (∼ 1019cm−3) was observed at the fluence of 1012 ions/cm2 in LiF irradiated with Kr ions with a decrease of the F center concentration at higher fluence. In LiF crystals irradiated with Kr and Xe ions an enhancement of F and Fn absorption bands via flux was observed. In heavily irradiated crystals an enhancement of Fn was observed after thermal annealing up to 600 K. The mechanism of the effect is discussed.
