Исследование физической природы каскадообрвазующих процессов при ионном облучении методами оптической спектроскопии, рентгеновоской спектроэлектронной спектроскопии и полевой ионной спектроскопии

Проект: Проект-Грант

Описание

Поставлены прямые эксперименты по определению энергетических и геометрических параметров наноразмерных зон плотных каскадов атомных смещений (термализующихся за время порядка 10^(-12) с) в металлах в зависимости от сорта и энергии бомбардирующих ионов. Разработаны компьютерные программы: 1) HT-1D для расчета кривых разогрева тонких плоских мишеней T(t) в ходе их облучения пучками ионов на основе численного решения одномерного уравнения теплопроводности в условиях отвода тепла только за счет теплового излучения; 2) KB-03 для расчета профилей легирования, а также электронных и ядерных потерь энергии тормозящимися ионами по глубине мишени на основе решения кинетических уравнений Больцмана. Получены теоретические и экспериментальные профили концентрации примесей по глубине облучаемых мишеней. В расчетах использовалась вышеупомянутая программа KB-03, а также программа TRIM, основанная на методе Монте-Карло. Экспериментальные профили распределения тяжелых ионов инертных газов и химически активных ионов N^+ и O^+ были измерены методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных показал их хорошее согласие. Измерены спектры свечения металлических мишеней (Al, Тi, Fe, W, Zr и Та) в ходе их облучения (in situ) ионами тяжелых инертных газов Ar^+ и Xe^+ с энергией в диапазоне 5-20 кэВ. Проведен визуальный и компьютерный анализ измеренных спектров свечения. Выполнена аппроксимация видимой полосы и «хвоста» инфракрасной полосы в видимой области планковскими кривыми теплового излучения. По положению максимума видимой полосы в нанометрах (связанного с температурой законом смещения Вина) определены температуры областей термализованных каскадов атомных смещений (термических пиков – thermal spikes). На основе экспериментально измеренных значений температур термических пиков и данных численных расчетов с помощью программ KB-03 и TRIM линейных размеров каскадов рассчитаны тепловые давления в термализованных областях каскадов атомных смещений при облучении различными ионами для указанных чистых металлов. Эти давления составляют значения от 5 до 40 ГПа. Построены зависимости пиковых значений температуры T(E, A) и давления P(E, A) в областях термических пиков для чистых металлов от атомной массы и энергии ионов. Для анализа полевых ионных изображений создана программа, позволяющая распознавать координаты, геометрические размеры и яркости изображений отдельных атомов на полевых ионных микрокартинах, а также строить функции распределения указанных параметров, с целью идентификации и анализа структуры радиационных дефектов. Программа успешно апробирована при анализе атомных слоев чистой платины в исходном состоянии и после ионного облучения. Проведено исследование методом полевой ионной микроскопии (ПИМ) с атомным разрешением радиационных дефектов и радиационно-индуцированных процессов при ионном облучении в чистой платине и сплаве Cu_3Au. В том числе проведено изучение особенностей строения выживших дефектов в наноразмерных зонах взрывного энерговыделения (областях плотных каскадов атомных смещений – thermal spikes). Получены количественные оценки размеров, формы и объемной доли обедненных зон в приповерхностных слоях чистой Pt и сплава Cu_3Au, образующихся вследствие имплантации газовых ионов. Проведено их сравнение с дефектами, образующимися при взаимодействии металлов с нейтронным облучением в результате столкновительной стадии и стадии внутрикаскадной диффузии. Сравнительный анализ дефектной структуры каскадных областей в платине, инициированных облучением быстрыми нейтронами (Е > 0,1 МэВ) флюенсами F = 6,7*10^21 м^(-2) и F = 3,5*10^22 м^(-2), а также ионным облучением (Аr+, Е = 30 кэВ, F = 10^16 см^(-2)) позволил установить её сходство (близкие линейные размеры и строение обедненных зон – областей прохождения плотных каскадов атомных смещений). В платине после облучения ионами дефекты наблюдаются на глубине около 1,5-2 нм от облученной поверхности. Методом ПИМ установлено, что в ходе облучения чистой платины пучками ускоренных ионов аргона в определенных режимах: Е=30 кэВ, j = 150 мкА/см^2 и 200 мкА/см^2, F = 10^16 и 10^17 см^(-2), на поверхности образцов, а также в приповерхностном объеме платины (в слое до 20 нм при F=10^17 см^(-2)) происходит формирование наноблоков размером 1-5 нм. При увеличении флюенса ионов аргона до 10^18 см^(-2) происходит практически полная аморфизация приповерхностных областей платины до глубины ~ 12 нм. Отдельные аморфизованные области фаз наблюдаются в металле на глубине не менее 60 нм. Результаты работы доложены на 7 международных и российских научных конференциях, а также по результатам исследований подготовлены и опубликованы научные статьи.
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания01/01/201631/12/2018

Keywords

  • 29.19.21 Влияние облучения на свойства твердых тел
  • РФФИ
  • НИЧ Мира