Введение к работе
Актуальность темы. Изучение физических явлений в приповерхностных слоях твердых тел и разных самоподдерживающихся и поверхностных пленках особенно актуально в связи с бурным развитием интегральной схемотехники и оптоэлектроники, возрастающим использованием наноматериалов и нанотехнологий, с применением в науке, технике и производстве новых приборов и материалов, способных работать при высоких температурных, плазменных и радиационных нагрузках в течение длительного времени, веществ с особыми свойствами.
При проведении исследований необходимо иметь количественные характеристики слоев атомов, как прилегающих к поверхности образца, так и находящихся на глубине до нескольких микрон. При этом важно исследовать интегральное содержание химических элементов и глубинные профили в поверхностных слоях и пленках именно тех элементов, которые кардинально влияют на свойства этих материалов и на их изменение при взаимодействии с внешней средой (температура, облучение, плазма, химическое воздействие, подложка и т.п.).
Для исследования этих процессов применяются различные физические методы исследований, способные различать даже отдельные атомы и молекулы на поверхности и управлять их перемещением [1]. Среди них свою нишу имеют неразрушающие ядерно-физические методы элементного анализа, основанные на использовании пучков ионов с энергиями от 0,5 до нескольких МэВ: спектрометрия обратного резерфордовского рассеяния и ядерных реакций, ионный рентгеноспектральний анализ.
Эти методы являются важным и необходимым средством решения задач как аналитики, так и создания материалов и приборов с необходимыми свойствами и качествами. Они имеют высокую точность количественного анализа (лучше 5%), локальность по глубине до 10 нм и являются неразрушающими. Необходимо отметить, что не существует универсального метода, который мог быть применен для всех комбинаций исследуемых материалов и давал бы при этом необходимую точность измерений. Набор применяемых методов исследований всегда конкретен и определяется той задачей, которую необходимо выполнить.
Газонаполненные проволочные детекторы широко используются в различных фундаментальных физических и прикладных исследованиях, поскольку обладают хорошим пространственным и временным разрешением. Они способны работать при высокой счетной загрузке іг) являются одними из основных детекторов в координатных системах"
4 экспериментальных установок в физике высоких энергий и элементарных частиц: CERN, DESY, FNAL. Новое поколение газонаполненных проволочных детекторов, создаваемое для экспериментов на большом адронном коллайдере (LHC), должно сохранить работоспособность в течение 10 лет работы ускорителя при накоплении очень большого заряда на единицу длины анодных проволочек 10-ИЗ Кл/см [2, 3]. Проблема ограниченности длительности функционирования (aging) газонаполненных детекторов в реальных экспериментах стала чрезвычайно актуальной из-за наблюдаемой модификации структуры поверхности электродов при больших дозах облучения.
Одна из важнейших проблем термоядерной энергетики - удержание высокотемпературной плазмы в течение времени, необходимого для осуществления реакций управляемого термоядерного синтеза. С этой целью проектируются и строятся специальные установки - токамаки. В ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН в 1999 году был запущен сферический токамак «Глобус-М» [4]. Кроме изучения фундаментальных свойств дейтериевой плазмы на нем проводятся крайне важные исследования по изучению свойств материалов для первой стенки реактора и наносимых на нее защитных покрытий. Для защиты первой стенки реактора обычно применяются различные углеродные материалы. Кроме этого, на них наносятся защитные боро-углеродные пленки, которые модифицируются при взаимодействии с плазмой. Необходимы исследования свойств этих материалов.
Для создания фотонных систем передачи информации актуальна, в частности, задача разработки усилителей и генераторов оптических импульсов, способных работать в окнах прозрачности оптического волокна. По потребляемой мощности, размерам и способности работать совместно с другими устройствами волоконно-оптической связи преимущество за пленочными структурами. Для успешной практической реализации таких приборов критическим является выбор хорошо адаптированного для поставленных целей основного полупроводникового материала (матрицы), легирующего редкоземельного элемента и его концентрации. Оптический переход с Я=1,54 мкм во внутренней 4Г-оболочке эрбия совпадает с длиной волны, соответствующей минимуму потерь в кварцевом волокне. Поэтому в полупроводниковые пленки различными способами вводятся атомы эрбия. В . качестве полупроводниковых матриц перспективны пленки аморфного гидрогенизированного кремния [5] и халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП) [6, 7].
5 В представленной работе методы ядерного микроанализа применены для исследований:
процессов деградации (старения) газонаполненных детекторов;
легированных редкоземельными элементами пленок аморфных и стеклообразных полупроводников;
взаимодействующих с плазмой внутренних поверхностей вакуумной камеры сферического токамака «Глобус-М», работающего с дейтериевой плазмой.
Цель работы:
Разработка и применение для решения различных аналитических проблем количественных неразрушающих ядерно-физических методов исследования состава приповерхностных слоев образцов и самоподдерживающихся пленок, включая спектрометрию обратного резерфордовского рассеяния и ядерных реакций, ионного рентгеноспектрального анализа.
Разработка и создание измерительно-аналитического комплекса для исследования материалов неразрушающими ядерно-физическими методами элементного анализа на ускорительном комплексе ЭСУ-2 в ПИЯФ РАН.
Создание работающего на пучке ускорителя кристалл-дифракционного спектрометра для расширения аналитических возможностей комплекса.
Разработка методов количественного определения концентрационных профилей элементов с малым атомным номером (z < 10) для исследования тонких проволок.,
Исследование ядерно-физическими методами элементного анализа:
новых материалов, в том числе полупроводниковых пленок, легированных редкоземельными элементами;
явлений и процессов, протекающих при высоких температурных (до нескольких миллионов градусов) и радиационных нагрузках в приповерхностных слоях материалов.
Новизна, научная ценность работы заключается в следующем:
Для анализа элементного состава вещества методом ионного рентгеноспектрального анализа впервые спроектирован и установлен на пучке кристалл-дифракционный спектрометр.
Для регистрации заряженных частиц впервые широко применены модернизированные прецизионные детекторы с тонким входным окном ~ 200 А, изготовленные методом фронтальной диффузии бора в кремний.
Методы спектрометрии ядерных реакций и обратного резерфор-довского рассеяния впервые предложены и широко применены для исследований модифицированных высокими дозами облучения приповерхностных слоев проволочных анодов газонаполненных детекторов.
При высоких дозах облучения обнаружен новый эффект деградации (старения) анодов газонаполненных детекторов, проявляющийся при аккумулированных дозах до 10 Кл/см.
Исследованы оптимальные условия получения,, состав и фотолюминесценция (ФЛ) пленок аморфного гидрогенизированного кремния, легированного эрбием и кислородом; внешний квантовый выход ФЛ ионов эрбия Ег3+ на длине волны 1,54 мкм при 300К достигает 0,5 %, что на сегодняшний день является наибольший для ФЛ эрбия в полупроводниковых матрицах.
Методами ядерного микроанализа проведены исследования новых тонкопленочных люминесцирующих структур на основе халькогенидного стеклообразного полупроводника As2Se3, модифицированного летучим комплексным соединением дипивалоилметаната РЗЭ Ln(thd)3 (Ln = Er, Eu, Tb) и определены оптимальные условия их получения.
Практическая значимость работы
Создан современный измерительно-аналитический комплекс для исследования приповерхностных слоев материалов и тонких пленок ядерно-физическими методами элементного анализа.
На аналитическом комплексе выполнен комплекс физических и технологических исследований для определения оптимальных условий облучения образцов (стабилизация энергии, положения пучка ионов в пространстве, измерение количества частиц, взаимодействующих с образцом) и измерения вторичных излучений, возникающих при взаимодействии протонов и дейтронов с мишенью.
Разработан комбинированный способ изучения состава вещества,
объединяющий ионный рентгеноспектральный анализ, спектроскопию
ядерных реакций и обратного резерфордовского рассеяния. '
Применение для исследований пленок, содержащих атомы с большими и малыми атомными номерами, пучков дейтронов в , методах спектрометрии обратного резерфордовского рассеяния и ядерных реакций позволило существенно повысить точность определения состава.
Созданные экспериментальные установки и разработанные методики применялись для решения многих научных и прикладных задач.
Проведенные исследования по изучению модифицированных большими дозами облучения анодных проволочек дрейфовых
7 газонаполненных детекторов способствовали улучшению конструкции последних и выбору материалов для их изготовления.
Исследования свойств пленок аморфного гидрогенизированного кремния и халькогенидных полупроводников, легированных редкоземельными элементами, показали, что они являются перспективными материалами для телекоммуникационных технологий и устройств оптоэлектроники ближнего и среднего ИК-диапазона, а также в видимой области.
Исследование модифицированных при взаимодействии с дейтериевой плазмой защитных покрытий вакуумной камеры (боро-углеродных пленок и углеродных тайлов) сферического токамака «Глобус-М» показало, что на их поверхности образуются «смешанные» слои толщиной до нескольких микрон, в состав которых входят дейтерий и элементы, используемые в конструкции прибора. Результаты исследований внутренних стенок токамака, взаимодействующих с дейтериевой плазмой, необходимы при создании новых установок.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
Разработка ядерно-физических методов для исследования элементного состава и структуры модифицированных приповерхностных слоев материалов и тонких пленок на пучках изотопов водорода и ігх аналитические характеристики.
Проектирование, создание и аналитические возможности аналитического комплекса для исследования материалов методами ядерного микроанализа на пучках протонов и дейтронов ЭСУ ПИЯФ.
Создание кристалл-дифракционного спектрометра с ионным возбуждением рентгеновской флуоресценции для исследования материалов и его аналитические характеристики и возможности.
Объединение в одном аналитическом комплексе неразрушающих ядерно-физических методов исследования элементного анализа на пучках протонов и дейтронов: спектрометрии обратного резерфордовского рассеяния и ядерных реакций, ионного рентгеноспектрального анализа.
Методика определения элементов с атомным номером z < 10 для исследования структуры приповерхностных слоев тонких проволочек.
'' Выбор типов ускоряемых частиц и применяемых ядерно-физических методов для конкретных исследований различных материалов.
Результаты исследований легированных редкоземельными элементами тонких ' полупроводниковых пленок и модифицированных приповерхностных областей объемных материалов, работающих при высоких температурных (плазма) и радиационных нагрузках (трековые детекторы для LHC).
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на:
Всесоюзном совещании «Ядерно-физические методы анализа на заряженных частицах» (Ташкент, 1978 г.);,XIII Всесоюзном совещании по рентгеновской и электронной спектроскопии (Львов, 1981 , г.); II Всесоюзном совещании «Ядерно-физические методы, в контроле окружающей среды» (Рига, 1982 г.); Ш Всесоюзной конференции «Микроанализ на ионных пучках» (Сумы, 1990 г.); на XI, XII, XIII Совещаниях по электростатическим ускорителям (г. Обнинск Калужской обл., 1995, 1997, 1999 гг.); 9* и 11th Vienna Conference on Instrumentation "VCI" (Vienna, Austria, 2001 и 2007 гг.), International. Workshop on Aging Phenomena in Gaseous Detectors (DESY, Hamburg, 2001 г.); Международном симпозиуме «Фото- и электролюминесценция редкоземельных элементов в полупроводниках и диэлектриках» (Санкт-Петербург, 2001 г.); XII Международном симпозиуме «Тонкие пленки в электронике» (Харьков, Украина, 2001 г.), 29th EPS Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion (Montreux, Switzerland, 2002 г.); Ill, IV, V и VI Международных конференциях «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, 2002, 2004, 2006, 2008 гг.), VII Международной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Санкт-Петербург, 2002 г.), LI и LVI (г. Сэров, Россия, 2001 и 2006 г.) и L1X (Чебоксары, Россия, 2009.г.) Международных конференциях по проблемам ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, 13th International Conference on Fusion Reactor Materials (Nice, France, 2007 г.); 22nd IAEA Fusion Energy Conference (Geneva, Switzerland, 2008 г.).
Научные результаты, вошедшие в настоящую диссертацию, опубликованы в 51 печатной работе в ведущих научных журналах как в России, так и за рубежом, в материалах Всесоюзных и Международных конференций и в различных научно-технических сборниках.
Личный вклад автора
В основу работы положены результаты экспериментальных, методических и теоретических разработок, выполненные под научным руководством или при непосредственном участии автора в период с 1976 по 2009 годы. Личный вклад автора заключался в проектировании и создании измерительно-аналитического комплекса и , кристалл-дифракционного спектрометра, непосредственной разработке и модернизации оригинальных методов ядерного микроанализа на пучках протонов и дейтронов, выборе объектов исследований, постановке и проведении экспериментов, обработке, обсуждении результатов, их интерпретации, обобщении и опубликовании результатов, а также в
9 планированіш и проведении работ совместно с другими органгаациями. Автор последние 17 лет является ответственным за разработку и осуществление программ научных исследований на измерительно-аналитическом комплексе ядерно-физическими методами исследования материалов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, разбитых на параграфы, двух приложений, заключения со списком работ, опубликованных по теме диссертации, списка цитируемой литературы. В конце каждой главы даны краткие выводы к ней. Общий объем составляет 246 страниц, включая 91 рисунок и 25 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 217 наименований. Список работ, опубликованных по теме диссертации, содержит 51 наименование. Они включены в общий список цитируемой литературы.
