Введение к работе
Актуальность работы. Направленное изменение свойств диэлектриков ионными пучками привлекает к себе в настоящее время большое внимание в связи с возможностью управления их электрическими, оптическими, магнитными, механическими характеристиками. Особый интерес представляют исследования, связанные с изучением процессов образования наноразмерных фаз (металлических, полупроводниковых) в приповерхностных слоях оксидов в процессе ионного облучения, в связи с созданием и использованием в науке и технике наноструктуриро-ванных материалов.
Однако несмотря на большой научный и практический интерес механизмы изменения структуры и химического состава приповерхностных слоев диэлектриков на основе оксидов металлов при облучении ионами исследованы недостаточно. Основные результаты получены по распылению поверхности оксидов тяжелыми ионами низких и средних энергий, а в исследованиях процессов формирования металлических нановключений — при облучении ионами металлов.
Мало изученными остаются процессы изменения стехиометрическо-го состава приповерхностных слоев диэлектриков и формирования металлической фазы в оксидах при облучении легкими ионами, когда высока роль ионизационных механизмов дефектообразования. К моменту начала настоящей диссертационной работы практически не исследованными были процессы модификации ионными пучками свойств таких оксидов, у которых высока подвижность кислородной компоненты. Эти исследования особенно актуальны для понимания механизмов радиационного повреждения многокомпонентных материалов с высокой подвижностью одной из компонент, так как возникают специфические условия для изменения структурных, оптических и электрических свойств материала при ионном облучении и формирования металлической фазы. К таким материалам относятся, в частности, оксидные суперионные проводники, которые используются в качестве твердых электролитов в
топливных элементах, газовых сенсорах и других электрохимических устройствах. Стабилизированный диоксид циркония (СДЦ) - легированный некоторыми металлами диоксид циркония (ДЦ) принадлежит к этому классу и является также перспективным оптическим материалом.
Целью настоящей работы является исследование радиационно-сти-мулированных изменений структурных, оптических и электрических свойств приповерхностных слоев СДЦ при облучении ионами инертных газов и ионами циркония.
Научная новизна работы состоит в следующем:
впервые обнаружено возникновение электронной проводимости в
облученных ионами монокристаллах СДЦ за счет изменения стехио-метрического состава материала: на образцах, облученных ионами Не (энергия Е = 40 кэВ, доза Ф = 1018 ион/см2), была зафиксирована электропроводность, равная ~1 Om''-см"1, установлено, что в интервале температур Т = 77-300 К концентрация электронов практически не зависит от Т и равнялась п = 1019 см"3, а их подвижность слабо возрастает от 0.5 до 1.4 см2/В-с с увеличением Т;
впервые показано, что в облученных ионами Не монокристаллах СДЦ,
возникновение полосы поглощения в оптических спектрах пропускания в интервале длин волн 400-650 нм связано с образованием нано-размерных включений с металлической проводимостью;
показано, что формирование наноразмерных включений в приповерх-
ностных слоях СДЦ носит пороговый характер по дозе облучения и в случае облучения ионами Не коррелирует с образованием блистеров;
впервые показано, что внешнее электрическое поле, приложенное к
образцу в процессе облучения СДЦ ионами Не, приводит к ускорению (замедлению) накопления дефектов и наноразмерных включений металлической фазы;
предложена модель микроскопических процессов, происходящих в
СДЦ при ионном облучении, основанная на представлении о высокой подвижности ионов кислорода в исходном материале и объясняющая модифицированные свойства СДЦ с единой микроскопической точки зрения.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
-
Результаты анализа холловских данных, свидетельствующие о возникновении электронной проводимости в облученных ионами монокристаллах СДЦ за счет изменения стехиометрического состава материала.
-
Результаты анализа оптических данных для ионно-облученных монокристаллов СДЦ, свидетельствующие о возникновении в СДЦ наноразмерных включений с металлической проводимостью.
-
Эффект влияния внешнего электрического поля при облучении СДЦ ионами Не на происходящие в материале процессы возникновения включений и изменения проводимости.
-
Модель микроскопических процессов, происходящих в СДЦ при
ионном облучении. Модель основана на представлении о высокой подвижности ионов кислорода в исходном материале и объясняет модифицированные ионным облучением свойства СДЦ с единой микроскопической точки зрения. Модель может быть использована для выработки рекомендаций по модификации ионным облучением свойств других твердых электролитов.
Достоверность полученных результатов подтверждается их воспроизводимостью, применением современных экспериментальных методов исследования свойств ионно-облученного СДЦ, современных теоретических представлений для интерпретации экспериментальных данных, согласием данных эксперимента с расчетными данными, полученными на основании имеющихся моделей.
Практическая значимость работы определяется тем, что ее результаты могут быть использованы при создании проводящих слоев в приповерхностной области диэлектрической матрицы СДЦ, а также при создании устройств, в которых СДЦ используется в качестве твердого электролита, и устройств интегральной оптики.
Отработанные режимы ионной имплантации, в том числе при наличии внешних электрических полей, приложенных к облучаемому образцу, могут быть использованы при создании оптических фильтров для планарных оптических устройств.
Представления о зарождении наноразмерных металлических включений, происходящем в СДЦ, могут быть применены при разработке модели формирования новых фаз в процессе ионного облучения.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации отражены в публикациях [1-І 5].
Результаты проведенных исследований обсуждались на следующих Международных конференциях: двенадцатой международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Москва 1995), третьем Российско-китайском симпозиуме "Advanced Materials and Processes" (Kaluga, Russia 1995), E-MRS Spring Meeting (Strasbourg, France 1995), третьем межгосударственном семинаре "Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (Обнинск 1995), E-MRS Spring Meeting (Strasbourg, France 1996),
XXVII Международной конференции по физике взаимодействия заря
женных частиц с кристаллами (Москва 1997), XIII Международной
конференции Взаимодействие ионов с поверхностью (Звенигород 1997),
XXVIII Международной конференции по физике взаимодействия заря
женных частиц с кристаллами (Москва 1998);
на Всероссийских конференциях: II Всероссийском семинаре "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Н.Новгород, 1994), десятой конференции по химии высокочистых веществ (Н.Новгород 1995),, IV Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Томск 1996), Симпозиуме "Синергетика. Структура и свойства материалов. Самоорганизующиеся технологии" (Москва. 1996), III Всероссийском семинаре "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Нижний Новгород 1996), IV Всероссийском семинаре "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" (Нижний Новгород 1998).
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 161 страницу и состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Список литературы состоит из 82 наименований.
