Введение к работе
Актуальность темы
Изучение структурных трансформаций и результирующей модификации свойств твердых тел под действием внешних потоков энергии (лазерного излучения и пучков частиц) является одной из актуальных задач современной физики. Исследования в этой области стимулируется развитием микроэлектроники, а также потребностями промышленности в материалах с новыми, заранее заданными свойствами. Результаты этих исследований важны также для прикладных проблем лучевой стойкости материалов и деградации оптоэлектронных приборов в процессе эксплуатации и под действием лазерного излучения.
Особый интерес представляет детальное изучение процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом и модифицированных этим взаимодействием свойств поверхности материалов с целью разработки методов их направленной модификации.
Лазерное облучение материала является одним из эффективных способов модификации свойств поверхности твердых тел. Открытие импульсного лазерного отжига аморфных полупроводников явилось в свое время стимулом к активным исследованиям в этой области. К настоящему времени достигнут значительный прогресс в изучении физики лазерного воздействия на поверхность и накоплен обширный экспериментальный материал по структурным и морфологическим модификациям, происходящим при лазерном воздействии.
Изучение процессов лазерного воздействия на поверхность привело к обнаружению и интенсивному исследованию многочисленных новых лазерно-индуцированных эффектов, связанных со структурной перестройкой материала. К ним относятся, в частности: генерация тачечных дефектов, неоднородное плавление полупроводников, образование когерентных и некогерентных поверхностных периодических структур на поверхности и в пленках, а также образование протяженных дефектов (пор или дислокационных петель) в приповерхностном слое облучаемого полупроводника.
Лазерно-индуцированная структурная перестройка материала происходит на трех масштабах: микроскопическом, мезоскопическом и макроскопическом. Микроскопическая перестройка кристаллической структуры происходит на масштабах межатомных расстояний
(10 -10 см) при генерации точечных дефектов: вакансий и междоузлий.' На мезоскопическом уровне структурная перестройка обусловлена пороговой самоорганизацией точечных дефектов с
образованием локализованных и периодических структур с размерам) 10 -1 (Г см. На макроскопическом уровне лазерно-индуцированна модификация материала может происходить благодаря образовании структур дефектов на поверхности, характерный масштаб которы: определяется толщиной приповерхностного дефектно-обогащенного ело
(~1(Г4см).
Лазерно-индуцированная генерация точечных дефектов може происходить в двух режимах - твердофазном, при многоимпульсно? облучении до порога плавления и жидкофазном - при одиоимпульсної облучении после превышении порога плавления. При этом концентраци дефектов может достигать очень больших значений порядк
10 - 10 см (до 10% от числа атомов в кристалле), что приводит появлению коллективных эффектов в системе взаимодействующи дефектов.
Примером таких эффектов является образование крупномасштабны (с периодом ~ 1 мкм) периодических структур дефектов приповерхностном слое облучаемого полупроводника.
Для описания целого ряда практически важных эффектов, таких ка лазерно-индуцированная аморфизация полупроводников и образование них протяженных дефектов, образование нанометровых периодически решеток протяженных дефектов в диэлектрических оптических материала и металлах при их облучении нейтронными пучками, образовани нанометровых уединенных и периодических слоевых и стержневы скоплений междоузлий при облучении кремния электронными пучками других представляет интерес развитие теории образования периодически и локализованных дефектно-деформационных (ДД) мезоструктур
характерным размером 10 —10 см. Для этой цели в диссертации используется механизм ДД-неустойчивости, физическая суть которої сводится к следующему.
При больших концентрациях точечных дефектов дефектна подсистема описывается полем концентрации дефектов иu(r,t) - вёкто смещения среды. В свою очередь деформация упругого континуум приводит к появлению деформационно-индуцированных потоков дефекто и (или) к модуляции скорости их образования за счет перенормировк: энергии образования дефекта. Эта связь поля концентрации дефекто nj(rj) и поля деформации ,{?,() следует из выражения для плотност.
энергии дефектно-деформационного взаимодействия, которое для изотропной среды или кристалла с кубической симметрией дается формулой:
ud = -edndz (1)
где в\] = KI2cj- деформационный потенциал, К - модуль всестороннего
сжатия, 17j = a sign(d) - изменение объема кристалла при образовании дефекта, где а - параметр ячейки, sign(d) = 1 для междоузлий и sign(d) = -I цля вакансий. Концентрация дефектов nd(r,t) представляется в виде:
ncl{rA) = nM + nin{r,t) (2)
где hjq, nd](rj) - соответственно пространственно-однородная и пространственно неоднородные части концентрация дефектов.
Система, состоящая из двух взаимодействующих друг с другом дефектно-деформационных полей, внутренне неустойчива по отношению к переходу в пространственно-неоднородное состояние, характеризующееся функцией nt/](rj). Впервые на это обстоятельство было указано более
пятидесяти лет назад в работе [1].
В работе [2] было показано, что возникающая в результате дефектно-аеформациошгого взаимодействия (1) положительная обратная связь приводит при превышении пространственно-однородной концентрации дефектов ndQ (контрольный параметр) определенного критического значения к развитию ДД-неустойчивости с образованием стационарной периодической дефектно-деформационной сверхрешетки с нанометровым периодом.
Настоящая диссертация посвящена построению детальной теории самоорганизации ДД-мезоструктур па основе механизма ДД-неустойчивости [1,2].
Для апробации данной теории в диссертации используются экспериментальные результаты по образованию мезоструктур, полученные <ак при импульсном лазерном воздействии, так и при других типах пучкового воздействия на материал. В частности, существенно используются экспериментальные данные по образованию нанометровых эешеток пор в металлах под действием потоков нейтронов, по диспергированию и аморфизации полупроводников при ионной имплантации и по образованию стержневых и слоевых дефектов при
облучении полупроводников (Si, Ge) электронным пучком. Оправданность такой процедуры объясняется универсальностью процессов. ДД-самоорганизации под действием внешних пучковых потоков энергии.- При этом универсальным параметром, управляющим самоорганизацией дефектов и характеризующим дозу облучения, является, однородная концентрация точечных дефектов rirfQ, генерируемых в твердом теле под действием внешнего потока энергии. При превышении я^о определенных критических значений имеет место универсальная иерархия процессов самоорганизаций дефектов и образования локализованных и периодических ДД-мёзоструктур. Эта универсальность позволяет апробировать'результаты теории самоорганизации мезоскопичеейгх ДД-структур при лазерном воздействии, используя также и экспериментальные данные, полученные при других типах облучения.
Интерес к исследованиям нанометровой самоорганизации дефектов
под действием именно лазерного излучения вызван, в частности,
практической важностью эффектов, возникающих при действии на
полупроводники пико- и субнаносекундных световых импульсов. Одним из
наиболее важных в этом отношении эффектов является аморфизации
приповерхностного слоя исходно кристаллического полупроводника.
Лазерно-индуцированная аморфизация привлекает внимание как новый
метод создания аморфных полупроводников, свойства которых
существенно зависят от способа их получения. ;
В настоящее время исследования в области аморфных материалов во всем мире ведутся во все возрастающих масштабах. Приоритетный характер этих исследований обусловлен уникальным комплексом физических свойств аморфных веществ, что обуславливает их широкое практическое применение. С другой стороны, проблема описания перехода кристалла в аморфное состояние является одной из интересных и до конца не решенных задач физики твердого тела. Поэтому исследования направленной сверхбыстрой лазерно-индуцированной аморфизации полупроводников (Si, Ge, GaAs) представляют особый интерес как с научной, так и с практической точек зрения.
На данный момент имеется большое число экспериментальных работ по импульсной лазерно-индуцированной аморфизации полупроводников, однако отсутствует теоретическая модель, позволяющая с единой точки зрения описать совокупность экспериментальных результатов.
Можно предполагать, что такая модель должна быть в своих основных чертах универсальной для различных случаев аморфизации при пучковых воздействиях (лазерное облучение и облучение потоком частиц). Это предположение основано на том экспериментальном факте, что
аморфизация при пучковом воздействии происходит при достижении определенной критической концентрации njc точечных дефектов (междоузлий или вакансий), генерируемых в облучаемом твердом теле внешним потоком энергии.
Поэтому при построении модели аморфизации следует учитывать не только экспериментальные данные по лазерно-индуцированной аморфизации, по и более широкую совокупность данных по структурной модификации, происходящей при других типах пучкового воздействия на поверхность вещества.
В настоящей диссертации на основе общей теории самоорганизации ДД-мсзоструктур построена модель аморфизации приповерхностного слоя при одноимпульсном лазерном плавлении поверхности исходно кристаллических полупроводников.
При действии лазерного импульса с гауссовским распределением интенсивности на исходно аморфные полупроводники наблюдается целая иерархия результирующих структурных трансформаций при уменьшении локального значения плотности энергии импульса, т.е. с ростом расстояния от центра импульса: кольцевая область, насыщенная локализованными дефектами сменяется кольцевой областью крупнозернистого поликристалла, переходящая в кольцевую область мелкозернистого поликристалла. Лморфизацию можно рассматривать как образование поликристалла с предельно малым размером кристаллических блоков (зерен), развернутых друг относительно друга. На периферии облученной области наблюдается образование области взрывной кристаллизации. Этот режим также представляет большой интерес и его описание должно быть включено в общую схему структурных трансформаций. Построенная в диссертации модель лазерно-индуцированной аморфизации позволяет с единой точки зрения описать данную иерархию структурных трансформаций.
Настоящая диссертационная работа посвящена построению теории самоорганизации ДД-мезоструктур под действием лазерного излучения и созданию модели лазерно-индуцированной аморфизации и взрывной кристаллизации при одноимпульсном воздействии, с единой точки зрения трактующей иерархию структурных трансформаций в лазерпо-облучаемых полупроводниках. Помимо аморфизации полупроводников, развитая теория приложима также для описания эффектов образования нанометровых периодических структур дефектов в других материалах, например, решеток пор в диэлектриках и металлах, а также стержневых и слоевых структур дефектов в полупроводниках при облучении электронным пучком.
Большой научный интерес, который представляет единая теория
самоорганизации дефектов в нанометровом диапазоне и практическая
важность и широта области ее возможных приложений обуславливает
АКТУАЛЬНОСТЬ данной диссертационной работы. ,{
Целью настоящей диссертационной работы является построение систематической теории самоорганизации точечных дефектов на основе механизма ДД-неустойчивости, которая должна описывать иерархию образования ДД-мезоструктур в твердых телах при различных типах внешнего воздействия (лазерное облучение, потоки частиц) как функцию универсального параметра, характеризующего интенсивность внешнего воздействия - пространственно однородной концентрации дефектов h^. С другой стороны,' эта теория должна быть достаточно гибкой, чтобы учитывать различие в типах межатомных связей в твердых телах (металлах и полупроводниках), приводящее к различию в характере ДД-взаимодействия. Предсказания теории должны описывать совокупность экспериментальных зависимостей характеристик ДД-мезоструктур, образующихся при различных типах облучения.
Защищаемые положения диссертации состоят в следующем.
1. При концентрациях точечных дефектов п^0, превышающих
19 —1
пороговое значение «ж-~10 см , пространственно однородное состояние дефектно-деформационной (ДД) системы становится неустойчивым, и ДД-система переходит в неоднородное состояние с образованием ДД-мезоструктур.
-
Динамика образования ДД-мезоструктур состоит из двух этапов. На первом этапе происходит коллапс углового спектра ДД-мод, на втором этапе происходит либо синхронизация фаз ДД-мод, приводящая к образованию кластеров, либо коллапс g-спектра ДД-мод, приводящий к образованию периодических структур.
-
Стационарное состояние самоорганизующейся ДД-мезосистемы описывается нелинейным уравнением для параметра порядка -пространственно-неоднородной самосогласованной деформации (аналогом уравнения Гинзбурга-Ландау в теории сверхпроводимости).
-
Существует иерархия образования трех классов стационарных ДД-мезоструктур с ростом контрольного параметра - пространственно однородной концентрации дефектов hjq: слоевых, стержневых и ячеистых структур. Внутри каждого из этих классов существует внутренняя иерархия: после превышения первого порога образуются ДД-кластеры,
после превышении второго порога - периодические ДД-мезоструктуры. Геометрия образующихся структур определяется исходной симметрией кристалла.
-
Характерные размеры ДД-кластеров и периоды ДД-мезоструктур определяются двумя характеристическими длинами: 1$ - длиной взаимодействия атом-атом и Ij - длиной взаимодействия дефект-атом, а также превышением контрольного параметра njQ над соответствующими критическими значениями.
-
Теория ДД-самоорганизации описывает пороги образования и экспериментальные зависимости периода образующихся ДД-мезоструктур от контрольных параметров (температуры и скорости генерации дефектов) для случаев образования напометровых решеток пор в металлах и стержневых дефектов в полупроводниках при облучении потоком частиц.
7. Модель лазері ю-индуцированной аморфизации поверхности
полупроводников, основанная на теории самоорганизации ДД-
мезоструктур, дает значение критической скорости фронта отвердевания
лазерно-индуцированного расплава Vm, при превышении которой
происходит аморфизация, а также зависимости Vm от толщины расплава и
от плотности энергии лазерного импульса, соответствующие
экспериментальным данным.
Практическая ценность. Па основе результатов данной диссертации могут быть выработаны рекомендации по выбору режимов направленной модификации поверхности твердых тел, разработке методов увеличения лучевой стойкости оптических материалов и улучшения эксплуатационных характеристик оптоэлектроннътх приборов.
Апробация работы. По теме диссертации сделаны доклады на IV Всероссийской школе-семинаре "Волновые явления в неоднородных средах" (Красновндово, 1996 г.), на Международных симпозиумах "Nanostnicrures: Physics and Technology -.96" (Санкт-Петербург, 1996 г.) и "Nanostructures: Physics and Technology - 97" (Санкт-Петербург, 1997 г.), на IV Межгосударственном семинаре "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (Обнинск, 1997 г.), на VI Международной конференции "Лазерные технологии'98" (Шатура, 1998), на XVI Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1998).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, список которых приведен в автореферате.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из Введения, 6 глав, Заключения и содержит 173 страницы текста, 23 рисунка , и список цитируемой литературы из 148 наименований;
