УДК 535.372
ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ФТОРИДА ЛИТИЯ И МАГНИЯ
Мухышбаева Ардак, Абдукадиров Бекзат Магистранты ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, Астана
Научный руководитель - д. ф.-м. н., профессор А.Т.Акилбеков Аннотация
Статье представлены результаты исследований структурных нарушений поверхности кристаллов LiF и MgF2, вызванных бомбардировкой тяжелыми ионами азота 18Мэв, криптона 147Мэв. Наноразмерные поверхностные дефекты кристаллов LiF и MgF2 облученных ионами, были исследованы с использованием высоко - разрешающей сканирующей электронной и атомно- силовой микроскопии.
Введение Последние достижения техники: сканирующая-электронная (СЭМ) и атомно-силовая
(АСМ) микроскопия позволили выделить в радиационной физики твердого тела новое направление, связанное с исследованием структурных повреждений поверхности, вызываемых воздействием одиночных ионов высоких энергий (Е ≥ 1Мэв/нуклон), и их связи с радиационными повреждениями в объеме материала. Исследования структурного отклика кристаллов на воздействие высокоэнергетического ионного облучения имеет большое практическое значение для моделирования эффектов, вызываемых осколками деления, т.е атомами с массой от 80 до 155а.е.м и энергией около ста Мэв, в инертных разбавителях (матрицах) композитного ядерного топлива. Необходимо отметить, что процессы, происходящие в треках осколков деления, не могут быть смоделированы с использованием достаточно широкодоступных пучков тяжелых ионов с энергиями в несколько Мэв, поскольку для получения корректных результатов необходимо учитывать эффекты высокой плотности ионизации. Это возможно только при использовании высокоэнергетического ионного облучения в широком интервале масс и энергий, позволяющих варьировать различные уровни ионизационных и ядерных потерь энергии для моделирования воздействия продуктов деления. Создание и исследование свойств наноразмерных структур на поверхности твердых тел с помощью тяжелых ионов высоких энергий представляет интерес также для решения задач нанотехнологии.
Методы экспериментального исследования.
Основные экспериментальные результаты были получены с помощью высоко - разрешающего сканирующего электронного (JSM-7500F) и атомно-силового микроскопа (JSPM-5200). Сканирующий электронный микроскоп JSM-7500F с ультравысоким разрешением усовершенствованной оптикой, что позволяет изучить сложные поверхности образцов в ходе наблюдения нано структур, медицинских, биологических материалов, а также полупроводниковых образцов, диэлектриков. В СЭМ можно исследовать не только тонкие образцы, но и массивные. При наблюдении в СЭМ диэлектриков на поверхность образца можно напылять проводящий материал,такой как углерод или Pt-Pd, либо образец должен нагреваться для того чтобы устранить эффект зарядки поверхности образца.
Атомно-силовой микроскоп (АСМ, англ. AFM — atomic-force microscope) — сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии зонда кантилевера с поверхностью исследуемого образца. АСМ используется для исследования треков на протравленных поверхностях, обеспечивая возможность исследования профилей ямок травления в ранних стадия травления. По сравнению с оптической микроскопией и сканирующей электронной микроскопией, высокая плотность протравленных треков может обрабатываться АСМ, благодаря его высокой разрешающей способности. Травление не обеспечивает информацией об исходной структуре и природе
337
ионных треков, поскольку большое количество вещества удаляется. Например, наблюдение протравленных треков не может дать информацию о том, который из двух бугорки или кратеры, были первоначально созданы. АСМ имеет возможность исследовать непротравленную поверхность на поверхностях твердых тел и давать важную информацию о механизмах создания дефектов.
Также же были рассчитаны средняя высота бугорков с помощью функции Гаусса по высотно-частотной гистограмме.
Экспериментальные результаты и обсуждение.
Все кристаллы обнаруживают после облучения появление нанодефектов на поверхности - выступающих бугорков (hillock).
Число хиллоков наблюдаемых на единицу площади поверхности находится в соответствии с флюенсом ионов с погрешностью в 10%. Высоты были получены из топографической микрографии. Средние значения высот были оценены с помощью соответствующей функции Гаусса для каждой высотно-частотной гистограммы. Если рассматривать по значениям электронных потерь энергии 1,65 кэВ/нм для азота, 12,11 кэВ/нм для криптона , то по нашим результатам наблюдается увеличение высоты бугорков 13 нм, 24 нм, соответственно. Анализ полученных изображений показал, что геометрические размеры наблюдаемых дефектов зависят от типа ионов. Наиболее сильно от энергии ионов зависит высота наблюдаемых хиллоков.
Рис. 1.1. - АСМ изображение поверхности 3D и гистограмма распределения наноструктур по высоте на поверхности LiF, облученного ионами N 18 МэВ
Рис.1.2. - АСМ изображение поверхности 3D и гистограмма распределения наноструктур по высоте на поверхности LiF, облученного ионами Kr 117 МэВ
Поверхностные дефекты в MgF2 облученных ионами криптона
338
Рис.1.3. Гистограмма распределения по высоте наноструктур на поверхности MgF2 облученного ионами криптона Kr+14 с энергией 147МэВ, флюенс 13,39∙1012.
Заключение
1) Установлено, что атомно-силовая микроскопия облученных ионами азота, криптона и ксенона показывает появление крошечных бугорков, нанодефектов на поверхности кристаллов фторида лития и магния.
2) Средняя высота бугорков была определена с помощью соответствующей функции Гаусса по высотно–частотной гистограмме: 13, 24 нм для ионов азота, криптона. Высоты не испытывают влияния конечности радиуса кривизны острия кантилевера.
3) С увеличением энергетических потерь увеличивается размер нанодефектов при облучении ионами.
4)Установлено, что атомно-силовая микроскопия облученных ионами криптона показывает появление крошечных бугорков, нанодефектов на поверхности кристаллов фторида магния для исследованных значений флюенса 13,39∙1012, 6,25∙1012 .
Литература
1. Лисицын В.М. Радиационная физика твердого тела. Томск, Томский политехнический университет, 2008.- 172с.
2. Здоровец М.В. Высокоразрешающая микроскопия поверхности облученных кристаллов фторида лития // Материалы 7-ой международной конференции «Ядерная и Радиационная физика», 8-11 сентября 2009, г. Алматы. С. – 98.
3.Здоровец М., Акилбеков А., Русакова А., Даулетбекова А., Абуова Ф., Мухышбаева А.
Высокоразрешающая микроскопия кристаллов LiF облученных высокоэнергичными ионами и электронами // Изв.Вузов.Физика. -2009.-№8/2. – С. 331-333.
339
