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 изучения 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 рентгеноспектральный 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 детекторы широко используются в различных фундаментальных физических и прикладных исследованиях, поскольку обладают хорошим пространственным и временным разрешением. Они способны работать при высокой счетной загрузке и являются одними из основных детекторов в координатных системах экспериментальных
4 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 10-5-13 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 бороуглеродные 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 (РЗЭ) и его концентрации. Оптический переход с Л,=1,54 мкм во внутренней 41-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.
Цели 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
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 широко применены для исследований модифицированных высокими дозами облучения проволочных анодов газонаполненных детекторов. При дозах облучения от 1 до 10 Кл/см обнаружено проникновение атомов кислорода и фтора на всю глубину защитного золотого покрытия вплоть до вольфрамовой основы анодной проволочки.
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 300 К достигает 0,5 %, что на сегодняшний день является наибольшим для ФЛ эрбия в подобных 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 ряд 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 газонаполненных детекторов способствовали выбору материалов для их
7 изготовления и функционирования в рабочих условиях, улучшению конструкции.
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 (бороуглеродных 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 их 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.); III 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.); 9th 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, 2010 гг.), VII Международной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Санкт-Петербург, 2002 г.), LI и LVI (г. Саров, Россия, 2001 и 2006 г.) и LIX (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, выполненных под научным руководством или при непосредственном участии автора в период с 1976 по 2009 годы. Личный вклад автора заключался в проектировании и создании измфительно-аналитического комплекса и кристалл-дифракционного спектрометра, непофедственной разработке и модфнизации оригинальных методов ядерного микроанализа на пучках протонов и дейтронов, выборе объектов исследований, постановке и проведении экспфиментов, обработке, обсуждении результатов, их интерпретации, обобщении и опубликовании результатов, а также в
9 планировании и проведении работ совместно с другими организациями. Автор последние 17 лет является ответственным за разработку и осуществление программ научных исследований на измфительно-аналитическом комплексе ядерно-физическими методами исследования материалов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, разбитых на параграфы, заключения со списком работ, опубликованных по теме диссертации, списка цитируемой литературы. В конце каждой главы даны краткие выводы к ней. Общий объем составляет 233 страницы, включая 91 рисунок и 22 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 204 наименования. Список работ, опубликованных по теме диссертации, содержит 51 наименование. Они включены в общий список цитируемой литературы.
