Неравновесные процессы в диэлектриках и полупроводниках при импульсном электронном возбуждении Штанько, Виктор Федорович

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Изменение физических свойств материалов при воздействии ионизирующей радиации обусловлено накоплением стабильных при условиях облучения радиационных дефектов. Накопление стабильных дефектов является результатом сложной совокупности протекающих во времени процессов генерации, взаимодействия и распада электронно-дырочных возбуждений и первичных структурных дефектов. Прямое исследование этой совокупности процессов стало возможным с появлением методов импульсной спектроскопии с временным разрешением и импульсных источников возбуждающей радиации. В качестве таких источников нашли широкое применение импульсные электронные пучки (ИЭП), генерируемые ускорителями с взрывной эмиссией, разработанные в ИСЭ РАН под руководством Г.А. Месяца. Облучение ИЭП позволяет получать концентрации короткоживущих дефектов, достаточные для детектирования их методами импульсной оптической спектрометрии. Однако, использование высоких уровней возбуждения для решения задач радиационной физики твердого тела привело к выявлению новых проблем, характерных для мощных воздействий.

Появление малогабаритных импульсных ускорителей и наличие высокоэффективных кристаллофосфоров обеспечили реальные предпосылки для получения нового класса импульсных катодолюминесцентных источников (КЛИ) оптического излучения с высокой удельной плотностью мощности (-300 Мвт/см²). Для достижения оптимальных параметров КЛИ необходимо использовать предельно высокие уровни возбуждения. Однако, повышение плотности возбуждения приводит к увеличению скорости деградации излучательных и механических свойств вплоть до нарушения сплошности материалов. Подобная проблема радиационно-механической стойкости возникает при реализации электронно-лучевых технологий модификации свойств материалов.

Расширение сферы использования ИЭП высокой плотности для решения конкретных задач технологии и при исследовании быстропро-текающих радиационно-стимулированных процессов в диэлектриках и полупроводниках предопределяет актуальность развития представлений о физике процессов энерговыделения в высокоомных материалах.

СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. Первые эксперименты с использованием ИЭП выявили специфику их воздействия на материалы. Было обнаружено хрупкое разрушение полупроводниковых материалов (Oswald R.B., 1966), а затем ионных кристаллов и стекол (Вайсбурд Д.И. с сотр., 1972, 1976), горных пород (Avery R.T., 1973). Было показано, что вероятность хрупкого разрушения щелочно-галоидных кристаллов (ЩГК) зависит от геометрии облучения и предыстории образца. Несмотря на значительное

внимание, уделявшееся исследованию этого явления, механизмы формирования разрушающих механических напряжений до сих пор изучены недостаточно. Oswald R.B. предполагал, что основной причиной возникновения разрушающих механических напряжений является импульсный нагрев материала (термоудар) вследствие ионизационных потерь энергии ускоренных электронов. Вайсбурд Д.И. (1975) предложил плазменный механизм, определяющий первую ступень в функции распределения вероятности разрушения, согласно которому наличие плотной электронно-дырочной плазмы (ЭДП) приводит к снижению порога разрушения.

В первых работах, как правило, изучение хрупкого разрушения проводилось при однократном облучении ИЭП с плотностью энергии близкой или выше некоторой пороговой величины. К началу наших исследований были определены функции распределения вероятности разрушения, пороговые плотности энергии для хрупкого разрушения целого ряда материалов, определены скорости прорастания трещины, которые, однако, не дали полного ответа на вопрос о природе доминирующих механизмов формирования разрушающих механических напряжений в наносекундном временном диапазоне. Недостаточно уделялось внимания экспериментальным исследованиям начальных стадий деградации механических свойств материалов при многократном облучении ИЭП с допороговыми энергиями. Не проводились исследования остаточных механических напряжений и их пространственного распределения, результаты которых могли бы дать важігую информацию о причинах возникновения локальных разрушающих напряжений. Практически отсутствовали систематические исследования морфологии разрушения при различных уровнях электронного возбуждения. При анализе результатов исследования разрушения высокоомных материалов обычно- принималась во внимание высокая скорость ввода энергии.

Специфика воздействия ИЭП заключается в том, что одновременно с энергией с высокой скоростью инжектируется отрицательный заряд и, соответственно, формируется импульсное электрическое поле. В зависимости от свойств материалов, способа обмена зарядом облучаемого образца с окружающей средой и геометрии облучения импульсное электрическое поле может инициировать электрический пробой. Процессы инициирования развития пробоя, возможная роль электроразрядных процессов в формировании разрушающих напряжений при воздействии ИЭП почти не изучались.

Развитие деградацнонных процессов в полупроводниковых лазерах с электронным возбуждением связывалось со следующими причинами. Снижение мощности генерации объяснялось радиацнонно-стимулированной трансформацией дефектов структуры, причем в области низких температур - с перезарядкой элементов кластеров, а при высоких - с дополнительным включением диффузионных процессов. Катастрофическая деградация активных элементов при критических режимах возбуждения связывалась либо с генерацией термоупругих напряжений, либо с процес-

сом разрушения под действием собственного излучения.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Исследование радиационно-стимулированных неравновесных процессов в диэлектриках и прямозон-ных полупроводниках при высоких уровнях импульсного электронного возбуждения, определение условий развития электроразрядных процессов и их роли в деградации механических и оптических свойств материалов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка импульсного спектрометра с пространственно-временным разрешением регистрируемых параметров; реализация поляризацион-но-оптического метода регистрации динамических и статических механических напряжений; разработка методики синхронного электронно-оптического возбуждения ионных кристаллов; постановка методик диагностики параметров ИЭП.

2. Изучение влияния плотности тока (энергии) ИЭП и геометрии облучения на пространственно-временное распределение поглощенной энергии и электрического поля в высокоомных материалах.

3. Исследование закономерностей формирования импульсной катодолю-минесценции прямозонных полупроводников группы А₂В₆ и их твердых растворов и процессов деградации механических и излучательных свойств при высоких уровнях электронного возбуждения.

4. Исследование поляризационно-оптическим методом динамических и остаточных механических напряжений, генерируемых в щелочно-галоидных кристаллах ИЭП с варьируемой плотностью энергии, изучение влияния геометрии и режима облучения на величину и пространственное распределение механических напряжений.

5. Изучение эволюции морфологии разрушения кристаллических диэлектриков и полупроводников при одно- и многократном воздействии ИЭП с варьируемой плотностью энергии и геометрии облучения.

В качестве ОБЪЕКТА исследования выбраны широко используемые в качестве модельных объектов номинально чистые и активированные щелочно-галоидные кристаллы (КС1, КВг, NaCl, KI, LiF); кристаллы фторидов щелочно-земельных металлов (CaF₂, SrF₂, BaF₂), выращенные в ГОИ (Санкт-Петербург); монокристаллы полупроводников А₂В₆ и их твердые растворы, выращенные кристаллизацией из паровой фазы методом Давыдова-Маркова в НПО "ПЛАТАН" (Фрязино), НИИ MB (Зеленоград), кристаллы CdTe, выращенные из расплава в МИСИС (Москва).

6. Проведены систематические исследования прямыми методами с пространственно-временным разрешением динамических и остаточных механических напряжений, эволюции морфологии разрушений в ЩГК, ФЩЗМ и прямозонных полупроводниках А₂В₆ при одно- и многократном облучении ИЭП с варьируемой плотностью энергии.

7. Установлено, что одной из причин кумуляции энергии ИЭП в высокоомных материалах, приводящей к формированию разрушающих меха-

нических напряжений, являются электроразрядные процессы, пространственная локализация которых определяется геометрией облучения и исходными структурными дефектами.

3. Впервые в ионных кристаллах обнаружены периодические структуры разрушений (ПСР), определено время образования и изучена их эволюция при увеличении плотности энергии ИЭП.

4. В кристаллах LiF, подвергнутых многократному облучению ИЭП при 295 К, обнаружено пространственно-неоднородное распределение концентрации накопленных F-агрегатных центров окраски, обусловленное совокупным действием факторов многоканального электрического пробоя (теплового и электрического полей, динамических механических напряжений и т.д.).

5. Изучен спектральный состав наведенного оптического поглощения, возникающего в области края фундаментального поглощения при облучении ИЭП и реабсорбции краевого излучения в реальных кристаллах прямозонных полупроводников А₂В₆ и их твердых растворов.

6. Показано, что пространственная неоднородность деградации излуча-тельных свойств полупроводников А₂В₆ при высоких уровнях возбуждения обусловлена неоднородностью диссипации энергии ИЭП вследствие развития электроразрядных процессов, пространственная локализация которых определяется наличием исходных дефектов и геометрией облучения. Второй причиной деградации излучательных свойств является рост наведенного оптического поглощения с увеличением дозы электронного облучения.

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Проведенный в настоящей работе комплекс исследований динамических, остаточных статических механических напряжений, морфологии разрушений ионных кристаллов и прямозонных полупроводников при варьировании геометрии и режимов облучения ИЭП в совокупности с результатами математического моделирования пространственного распределения поглощенной энергии и электрического поля показал, что деградация механических свойств высокоомных материалов обусловлена двумя основными механизмами диссипации энергии.

Во-первых, пластическая деформация и образование макрозон остаточных напряжений возникают вследствие динамических механических напряжений, вызванных неоднородным импульсным нагревом кристалла в области торможения электронов и возбуждения изгибных волн разгрузки.

Во-вторых, динамические механические напряжения ударного характера возникают вследствие кумуляции энергии при эмиссионно-инициированном многоканальном (или плоскостном) неполном электрическом пробое. Развитие ориентированных разрядов при низких плотностях (=0,15 Дж/см²) приводит к формированию микрозон пластической деформации и остаточных механических напряжений. С ростом плотности энергии ИЭП ориентированные разряды (и плоскостные пробои в ЩГК) ини-

циируют развитие трещин и плоскостей расколов.

При экстремальных режимах облучения включается новый механизм разрушения, определяющий формирование ПСР. Установленные закономерности формирования динамических механических напряжений в ионных кристаллах и полупроводниках позволяют прогнозировать предельные радиационные нагрузки материалов при облучении ИЭП и искать способы управления радиационно-механической стойкостью материалов.

Показана возможность создания эффективного КЛИ для накачки активных сред лазеров. КЛИ использован для накачки лазера на растворе органического красителя родамина 6G. Лазер с КЛИ защищен авторским свидетельством. Макетные образцы КЛИ применялись в экспериментах по оптическому возбуждению короткоживущих дефектов в ФЩЗМ. Высокая мощность излучения КЛИ в сочетании с узким спектром и возможностью варьирования спектрального положения излучения открывают широкие возможности использования этих источников в области спектроскопии.

Разработан и защищен авторским свидетельством способ неразру-шающего контроля излучательных свойств прямозонных полупроводников А₂В₆ и их твердых растворов, основанный на установленных закономерностях формирования люминесценции, возбуждаемой ИЭП. Разработан и изготовлен действующий макет установки для контроля полупроводников А₂В₆, который внедрен в НИИ "ПЛАТАН" (г. Фрязино).

1. Пространственно-временная неоднородность диссипации энергии ИЭП обусловлена с одной стороны известной неоднородностью потерь энергии на ионизацию среды пучком со сложным спектром электронов, а с другой, при плотности тока выше пороговой, - кумуляцией энергии электрического поля инжектированного заряда при развитии электроразрядных процессов, пространственная локализация которых определяется геометрией облучения и предысторией образцов.

2. Кумуляция энергии вследствие развития электроразрядных процессов является одним га механизмов создания динамических механических напряжений в ионных кристаллах и полупроводниках, формирующих тонкую структуру акустического излучения, вызывающих пластическую деформацию и нарушение сплошности сред при многократном облучении, а также эволюцию морфологии разрушений при увеличении плотности возбуждения.

3. Обнаружение нового явления - пространственно-модулированных структурных разрушений (ПСР) в ЩГК (LiF, NaCl, KCI, КВг и КІ), создаваемых воздействием ИЭП высокой плотности. Экспериментально изученные закономерности образования ПСР и их эволюции в зависимости от геометрии и плотности возбуждения.

4. Модуляция спектров спонтанной и вынужденной импульсной катодо-люминесце'нщш (ИКЛ) кристаллов полупроводников А₂В₆ при высоких уровнях электронного возбуждения обусловлена наведенным оп-

тическим поглощением вблизи края собственного поглощения. Рост величины оптического поглощения при увеличении дозы облучения является одной из причин деградации излучательных свойств; оптически активные центры, включают в свой состав собственные дефекты решетки, которые образуются в процессе роста кристалла, либо при отжиге в парах компонентов и вакууме. 5. Образование локальных областей тушения ИКЛ прямозонных полупроводников при многократном облучении ИЭП является следствием совокупного действия факторов (импульсного повышения температуры, динамических механических напряжений и т.д.) многоканального электрического пробоя, локализованного на исходных структурных дефектах кристалла.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации были доложены и обсуждены на: Всесоюзной конференции "Разработка и практическое применение.электронных ускорителей (Томск) 1975; Всесоюзных совещаниях по радиационной физике и химии неорганических материалов (Рига) 1975,1983,1986,1989; (Томск) 1993,1996; Всесоюзной научной конференции "Физика диэлектриков. Пробой и электр. старен." (Баку) 1982, (Томск) 1988; Всесоюзных конференциях по люминесценции (Рига) 1980, (Ровно) 1984, (Москва) 1991; Всесоюзном совещании "Синтез и свойства, исследования, технология и применение люминофоров" (Ставрополь) 1985; Всесоюзной конференции по сильновозбужденным состояниям в кристаллах (Томск) 1988; Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Киев) 1987; Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Минск) 1985; Всесоюзной конференции "Состояние и перспективы, разработка и применение сцинтилляторов и сцинтилляционных детекторов" (Харьков) 1986; Всесоюзном совещании "Воздействие ионизирующего излучения и света на гетерогенные системы" (Кемерово) 1986, 1990, 1995, 1998; Всероссийском симпозиуме по твердотельным детекторам ионизирующих излучений (Екатеринбург) 1997.

. Содержание диссертации отражено в 72 публикациях, по результатам исследований получено 2 авторских свидетельства.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных непосредственно автором и совместно с сотрудниками кафедры лазерной и световой техники Томского политехнического университета Толмачевым В.М., Олешко В.И., Терещенко Е.А. и сотрудниками вычислительного центра Томского государственного архитектурно-строительного университета Глыбиным В.Г. и Чинковым Е.П. Автору принадлежит выбор направления исследования, постановка задач, анализ и выбор методов решения задач, участие в разработке и постановке методов исследований, выполнение экспериментальных исследований, анализ и обобщение результатов исследований, разработка положений, выносимых на защиту.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Поскольку в работе затронуты разные аспекты проблемы диссипации энергии и неравновесных процессов, возбуждаемых в Диэлектриках и полупроводниках воздействием ИЭП, в начале глав приводится краткий анализ литературы по состоянию исследований. Диссертация изложена на 240 страницах, содержит 78 рисунков и общий список цитируемой литературы, включающий 207 наименований.