Введение к работе
Актуальность темы. Вопросы, связанные с воздействием частиц и излучений на свойства вещества занимают одно из центральных мест в радиационной физике твердого тела. Это обусловлено тем, что потоки частиц и излучений все более широко используются и как средство воздействия на свойства твердых тел, и как инструмент для исследования их состава и структуры. Среди средств воздействия на материалы особое место занимают ионные пучки.
Работы по ионной имплантации начали развиваться на рубеже 60-х годов, и были связаны, прежде всего, с потребностями полупроводниковой электроники. В 70-е годы резко возрос поток исследований, направленных на модификацию различных свойств металлов. Этот этап стимулировал разработку ионных источников нового поколения, позволяющих осуществлять имплантацию экстремально высокими дозами. В этом направлении следует отметить работы, проводимые в НИИ ЯФ при ТПУ, Институте сильноточной электроники СО РАН, Институте электрофизики УрО РАН. Эффекты воздействия сверхмощных электронных пучков на свойства ионных кристаллов исследованы в работах ряда авторов [1]. Одновременно с развитием техники имплантации интенсивно начали развиваться методы ядерного микроанализа [2], которые позволяют получить информацию о составе и структуре поверхностных слоев твердых тел.
Ионная имплантация в диэлектрики изучена значительно слабее, однако выполненные до настоящего времени работы показывают, что нет принципиальных ограничений на применение процесса ионной бомбардировки для модификации поверхности и приповерхностных слоев диэлектриков. В России это, прежде всего, наши работы, а также работы, выполненные в НИИ ВН при ТПУ В.В. Лопатиным с сотрудниками, в которых разрабатывается ионно-термический метод модифицирования электрических характеристик диэлектриков различного класса. В настоящее время темп работ по исследованию воздействия ионного облучения на широкозонные материалы значительно возрос.
Цель работы состояла в проведении систематических исследований процессов, приводящих к формированию слоев с высокими электропроводящими свойствами в широком классе диэлектрических материалов под действием ионной бомбардировки, в выяснении общих закономерностей данного явления и в проведении системного анализа влияния ионных пучков различной природы на проводящие свойства поверхности диэлектрических материалов, относящихся к различным классам.
Достижение поставленной цели потребовало выполнения следующих задач:
-
Создать экспериментальное оборудование для измерения электрических характеристик ионно-модифицированных слоев диэлектриков.
-
Исследовать дефектное состояние ионно-облученных слоев модельных кристаллов, в частности, MgO для чего:
а) получить экспериментальные данные о каналировании ионов 4Не
(РОР/К) в ионно-модифицированных слоях оксида магния и изучить
процессы отжига дефектов при термической обработке кристаллов;
б) исследовать энергетические спектры резонансного обратного рас
сеяния (РезОР) ионов 4Не с энергией в интервале (1,8 - 5,2) МэВ для
изучения дефектного состояния и отклонения от стехиометрии по ки
слороду химического состава ионно-облученных слоев оксида магния.
3. Разработать физические основы процессов, приводящих к формиро
ванию проводящих областей в диэлектрических материалах ионным об
лучением для чего:
а) исследовать зависимость эффекта ионно-радиационного увеличения
проводимости от химической природы бомбардирующих ионов;
б) исследовать влияние условий пострадиационной термической об
работки на электрические свойства ионно-облученных слоев;
4. На модельных кристаллах исследовать процессы, приводящие к из
менению проводимости ионно-облученных слоев с целью получения
информации о механизме электропереноса в них.
Объекты и методы исследования. Были изучены эффекты воздействия ионного облучения на широкий класс диэлектрических материалов: ионные кристаллы, керамика различного состава, стекло, органические материалы. Основные методы исследования: измерение электропроводности, оптическая спектроскопия и люминесцентный анализ, ядерный микроанализ.
Научная новизна. 1. Выполнено систематическое исследование процессов формирования высокопроводящего состояния в твердых диэлектриках методом ионной бомбардировки впервые для следующих материалов: MgO, Si02 LiNb03, LiNb03+MgO, Z1O2+Y2O3, 2Ю2+А1203, бороси-ликатного стекла, полиимида. Методом резерфордовского обратного рассеяния ионов 4Не с учетом каналирования показано, что результатом ионного облучения кристаллов MgO является высокая концентрация радиационных дефектов Френкеля, а именно, междоузельных атомов магния, обладающих экстремально высокой температурной стабильностью (1200К) относительно вакуумного отжига и высокой стабильностью (800К) относительно отжига на воздухе.
2. Методом резонансного обратного рассеяния ионов 4Не обнаружено отклонение от стехиометрии химического состава ионно-модифицированных слоев оксида магния благодаря преимущественной десорбции кислорода в процессе обработки кристаллов ионным пучком.
Показано, что обнаруженная нестехиометрия является необходимым условием формирования высокопроводящсго слоя в оксиде магния.
-
Впервые установлено, что термическая стабильность высоко проводящего слоя, созданного в оксидном диэлектрике ионной бомбардировкой относительно отжига на воздухе определяется процессами адсорбции кислорода. Чем интенсивнее адсорбция, тем ниже стабильность.
-
Показано, что электрическая проводимость кристаллов ниобата лития (LiNb03) конгруэнтного состава как чистых, так и с примесью MgO (2,5-10,0) мол% - является электронной прыжковой, имеющей в структурно-чувствительной области (Т< 500К) высокую энергию активации (1,3 - 1,2) эВ.
Высокопроводящее состояние в кристаллах ниобата лития можно сформировать несколькими способами: ионной бомбардировкой, восстановительным отжигом и сочетанием ионной бомбардировки и восстановительного отжига.
5. Показано, что обработка боросиликатного стекла пучком ионов эле
ментов IV группы (С, Si, Sn) формирует высокопроводящее состояние
(увеличение электропроводности в 10 раз). Обработка ионами Аг, N, О
увеличивает электропроводность незначительно (в 10 -100 раз). Обра
ботка ионами А1 и Fe не дает существенных изменений электропровод
ности.
6. Экспериментально установлено, что высокопроводящее состояние
полиимидаСдо 6-Ю3 Ом'см"1) может быть сформировано как ионной
бомбардировкой, так и с использованием метода радиационно-
термической модификации.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
На исследованных экспериментально диэлектриках различных классов: кристаллических (LiF, MgO, S1O2, LiNb03, LiNb03 с примесью MgO, LiNb03 с примесью MgO и Fe203), керамических (Zr02 + Y203, Zr02 + A1203), аморфных (боросиликатное стекло) и органических (по-лиимиде) - подвергнутых облучению пучками однозарядных и многозарядных ионов: Н, Не, С, N, О, Si, Al, Аг, Си, Cd, Fe, Sn, Pb - наблюдается эффект гигантского увеличения электропроводности облученного поверхностного слоя (в 104 - 1014 раз) и показано, что этот эффект и его характерные особенности являются универсальными для декартова произведения множеств диэлектриков и ионов.
-
Современная теория электронной прыжковой проводимости сильнолегированных полупроводников и некристаллических веществ, основанная на представлении о термотуннельных перескоках носителей с дефекта на дефект, позволяет количественно описать характерные особенности явления, которые установлены экспериментально в работе путем измерения температурных зависимостей квазистационарной электропроводности для различных пар «диэлектрик - ион»: с увеличением
флюенса растет проводимость облученного слоя и уменьшается энергия активации от 1,1 эВ до ± 0,002 эВ, растет подвижность носителей; на образцах полиимида наблюдается характерная зависимость Igp ~ Лг~ш, где N - плотность дефектов, созданных ионной бомбардировкой.
-
Из всех исследованных диэлектриков наименее значительным эффектом увеличения проводимости при ионной бомбардировке (менее, чем в 100 раз) обладают щелочно-галоидные кристаллы (NaCl, КС1, NaBr, КВг чистые и с примесями ОгҐ, Sr^, Pb"1"1"). Это обусловлено тем, что в ще-лочно-галоидных кристаллах ионная составляющая проводимости (носители - катионные вакансии) преобладает над электронной.
-
Основным процессом, приводящим к гигантскому росту электропроводности монокристаллов MgO при ионной бомбардировке, является нестехиометрический вынос вещества (один атом Mg на два атома О) и, соответственно, генерация донорных уровней. При этом, как показано методом резерфордовского обратного рассеяния с учетом каналирова-ния (РОР/К), MgO не аморфизуется вплоть до флюенсов 5-Ю17 ион/см2, а насыщается междоузельными атомами Mg и другими дефектами. Это дефектное состояние стабильно относительно отжига в вакууме Т'ота= 1200К, а на воздухе 7^ = 800К. Обратный процесс - окислительный отжиг - восстанавливает стехиометрию поверхностного слоя и, соответственно, его высокое сопротивление.
-
Обнаружен эффект - резкая («резонансная») зависимость приращения проводимости кристаллического кварца БЮг от массы бомбардирующих ионов в ряду Н, Не, С, А1, Аг, Си, Cd, Pb. Наивысшая эффективность приходится на ионы аргона Аг.
-
Обнаружен эффект гигантского увеличения радиационной стойкости (в 107 раз) относительно приращения проводимости при ионном облучении у корундо-циркониевой керамики (Zr02 + А120з) по сравнению с однофазными корундовой (А120з) и циркониевой (Z1O2) керамиками.
-
Высокопроводящее состояние ниобата лития (ІлгЛОз) можно сформировать не только путем облучения ионным пучком, но и восстановительным отжигом в вакууме. Легирование ниобата лития примесью MgO снижает эффективность этого процесса.
Практическая значимость работы. Полученные результаты открывают пути контролируемого управления электрическими свойствами поверхности и приповерхностных областей диэлектриков. Данные о термической стабильности эффекта ионно-радиационного увеличения проводимости показывают пути его стабилизации. Данные, касающиеся модификации свойств поверхности кристаллических элементов ионной бомбардировкой, позволили изготовить партию кварцевых резонаторов, в которых роль электродов выполняли ионно-модифицированные слои. На базе проведенных исследований предложен способ изготовления кварцевых резонаторов, защищенный авторским свидетельством. Ре-
6'
зультаты по исследованию влияния ионного облучения на свойства керамики определяют также и пути, повышающие стойкость керамических материалов к ионному облучению. Разработанная система крепления образцов и система нагрева позволили выполнять различные режимы отжига (окислительный и восстановительный) и проводить измерения методами резерфордовского обратного рассеяния in-situ в экспериментальной камере.
Личный вклад автора. Результаты работы получены автором лично, а также в сотрудничестве с научными работниками ПНИЛ ЭДиП ТПУ, НИИ ЯФ при ТПУ и других организаций. Основные исследования, описанные в. диссертации, были выполнены по инициативе и под руководством автора. Личный вклад автора заключался в постановке задач, определении путей их решения, в обсуждении полученных результатов и разработке физических моделей. Большая часть статей по теме диссертации написана автором после обсуждения результатов с соавторами работ. Автором выполнено обобщение представленных в диссертации материалов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих семинарах и конференциях: Всесоюзное совещание по глубоким центрам в полупроводниках, Одесса, 1972; Всесоюзной конференции по радиационной физике ионных кристаллов, Рига, 1976; Международных конференциях по радиационной физике и химии ионных кристаллов (Томск 1993, 1996, 1999); IV Всесоюзном совещании по радиационным гетерогенным процессам (Кемерово, 1985,1990,1995); I Всесоюзной конференции по ионно-лучевой модификации материалов (Черноголовка, 1987 ); I Всесоюзной конференции «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц» (Томск, 1988); VI Всесоюзной конференции по физике диэлектриков (Томск, 1988); Всесоюзной конференции «Ионно-лучевая модификация материалов» (Каунас, 1989); 3rd International Conference on Energy Pulse and Particle Beam modification of materials (Dresden, 1989); Sixth International School on Vacuum, Electron and Ion Technologies (Varna, 1989); I Всесоюзном совещании «Диэлектрические материалы в экстремальных условиях» (Суздаль, 1990); Russian-Korean International Symposium on Science and Technology (Tomsk 1998; Novosibirsk 1999, Ulsan 2000); International Conference on Ion Beam Modification of Materials (Heidelberg, 1994, Amsterdam 1998); X-XIV Международные конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Москва, 1995-1999); XXIII - XXV Международные конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, МГУ.1993-1995,2000).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 44 работах, список которых представлен в конце реферата и является частью списка литературы, цитируемой в диссертации.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка используемой литературы. Объем диссертации составляет 318 страниц машинописного текста, включая 30 таблиц, 108 рисунков и список литературы из 265 наименований.
Похожие диссертации на Электронные процессы в неупорядоченных слоях, созданных в диэлектрических материалах ионным облучением
