Компьютерное моделирование диффузионых процессов в многокомпонентных материалах (YBaCuO, SiC) под облучением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

рр^с&йсфйя АКАДЕМИЯ НАУК

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

--

На правах рукописи

Куликов Дмитрий Вадимович

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ МАТЕРИАЛАХ (УВаСиО, ¡С) ПОД ОБЛУЧЕНИЕМ

(специальность 01.04.07 -физика твердого тела)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном, техническом университете.

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, чл.-корр. РАЕН, профессор Ю.В.Трушин .

Официальные оппоненты -

доктор физико-математических наук чл.-корр. РАЕН, профессор В.В.Кирсанов,

доктор физико-математических наук, С.А.Гуревич.

Ведущая организация

ЦНИИ КМ ".ПРОМЕТЕИ", Санкт-Петербург.

Защита состоится " 2£ " " 1998г. в /О часов на

заседании специализированного' совета К 003.23.02 Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул.,26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "2/ " 199'Хг.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

С.И.Бахолдин.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

В настоящее время радиационные технологии являются одним m наиболее перспективных направлений в области создания и исследования новых материалов. Можно выделить два способа применения радиационного воздействия. Во-первых, облучение может использоваться как метод создания материалов с заданными свойствами или изменения свойств вещества. Во-пторых, при помощи облучений быстрыми частицами может изучаться влияние микроструктуры вещества на его макроскопические характеристики. Такие исследования проводятся уже в течение нескольких десятилетий. Мощным стимулом для этого послужил бурный рост атомной энергетики, широкое развитие исследований в области термоядерного синтеза, а также дальнейшее продвижение в создании новых, в частности, полупроводниковых технологий. Основными объектами исследования были металлы, сплавы (являющиеся конструкционными материалами в ядерных установках)» полупроводники. Уже достигнуто достаточно полное понимание физических процессов, происходящих в твердых телах при облучении [1-3]. В последние годы появились новые материалы, интерес!. ..ie с точки зрения радиационного материаловедения. Это, например, высокотемпературные сверхпроводники, модифицируемые и изучаемые при помощи облучения, широкозонные полупроводники (SiC, AIN и т.д.), многослойные металлические и полупроводниковые структуры, при изготовлении которых используется ионная имплантация. Существенным отличием этих структур от ранее исследовавшихся металлов является их многокомпонентность, что сильно затрудняет их изучение. Кроме того, следует отметить, что значительное количество дефектов, образованных при облучении и оказывающих существенное влияние на свойства материала, не может быть экспериментально наблюдаемо из-за своих малых размеров (меньше I нм). Таким образом, требуются теоретические исследования радиационных процессов в . ювых многокомпонентных материалах, опирающиеся на имеющиеся представления о физике радиационных повреждений материалов, позволяющие прогнозировать изменение свойств, а также, используя компьютерное моделирование, давать рекомендации по выбору технологических параметров. Из вышесказанного следует, что настоящая работа, направленная на компьютерное моделирование эволюции дефектов в некоторых многокомпонентных материалах при облучении и отжиге, является актуальной. ,,

Цель

Целью работы является компьютерное моделирование диффузионных процессов и эволюции дефектной структуры при облучении и отжиге в некоторчх

многокомпонентных материалах со сложной кристаллической решеткой (УВаСиО,

$¡0), а такж,- прогнозирование изменения свойств этих материалов при указанных

воздействиях.

Задачи

1. Теория и компьютерное моделирование изменений в кислородной подсистеме пленок и монокристаллов УВаСиО при облучении и отжиге.

2. Теоретическое исследование влияния эволюции дефектной структуры на макроскопические характеристики УВаСиО.

3. Компьютерное моделирование эволюции дефектной структуры карбида кремния при высокотемпературной имплантации ионами А1+ и М+.

Научная новизна работы.

1. Впервые предложены физические модели и проведено компьютерное моделирование эволюции микроструктуры и свойств монокристаллов и тонких пленок УВаСиО под влиянием различных видов облучения и отжига.

2. Впервые разработана физическая модель, рассчитаны профили залегания и установлена иерархия дефектов в карбиде кремния при высокотемпературной имплантации ионами Л1+ и М + и последующем отжиге.

3. Впервь.е численно оценены некоторые кинетические параметры УВаСиО и Э1С (см. пункты 6 и 9 результатов работы).

Практическая значимость работы

1. Исследованные механизмы эволюции дефектных структур при облучении и отжиге многокомпонентных материалов могут быть использованы при разработке технологий создания структур с заданными свойствами.

2. Количественные значения некоторых кинетических параметров УВаСиО и 5'|С могут использоваться для расчетов диффузионных процессов, а следовательно, для прогнозирования поведения этих материалов при разных внешних условиях (температура, тип облучения и т. д.)

3. Полученная пропорциональность плотности критического тока и средней концентрации центров пшыинга в облученном нейтронами монокристалле УВаСиО является важным результатом для исследований явлений пиннинга в высокотемпературных сверхпроводниках.

Основные положения, выносимые на защит;-'.

1. С помощью компьютерного моделирования подтверждена качественная связь, а также некоторые количественные соответствия структуры кислородной подсистемы и сверхпроводящих свойств (например, Тс) высокотемпературного св?рхпроводника УВаС-иО.

2. В облученном нейтронами монокристалле YBaCuO плотность критического тока пропорциональна средней концентрации центров пиннинга (при малых магнитных полях,параллельных плоскости ab).

3. При высокотемпературной имплантации карбида кремния ионами AI* и N+ формируется сложная иерархия различных точечных дефектов, выявленная в результате компьютерного моделирования.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинарах в ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН, СПбГТУ, Атомном Иституте Австрийских Университетов в Вене (Австрил), Исследовательском Центре Россендорф (Германия), Техническом Университете Дрездена (Германия), Техническом Университете Ильменау (Германия), а также на следующих конференциях:. 9th Int. Schoo! on Vacuum, Electron and Ion Technologies VEIT'95, Sozopol, 14-18 3ept 1995, Bulgaria; Петербургские чтения по проблемам прочности, 1995 (14-16.03) и 1997 (11-13.03) С.-Петербург; Первом и Втором Международном Уральском Семинаре "Радиационная Физика Металлов и Сплавов", 1995 (19-26.02) и 1997 (23.02 - 01.03) Снежинск, Россия; 5th Int.; Conf. on Materials and Mechanisms of Superconductivity and 'High Temperature Superconductors, 1997 (08.02 - 04.03), Beijing; International Workshop on New Approaches to Iii-Tech Materials 97 (Nondestructive Testing and Computer Simulations in Materials Science and Engineering), 1997, (09 - 12.06), St.Petersburg, Russia; 13-th Int. Conference on Ion-Surface Interactions, 1997 (01 • 05.09), Zvenigorod, Russia; Первом Российско-Французском Семинаре "Радиационные эффекты в ядерных материалах", 1997 (05-12.10), Франция.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных р-бот, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 110 страниц, в том числе 18 рисунков.

ОСНОВНОЕСОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении кратко обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, указаны ее научная новизна, практическая ценность.

Первая глава посвящена обзору литературы. В разделе 1.1. излагаются результаты, как теоретических, так и экспериментальных исследовании высокотемпературных сверхпроводников YBaCuO. Обсуждаются вопросы, касающиеся дефектов в материале, их диффузии, кристаллической структуры соединения, влияния облучения на эту структуру и на такие макроскопические

характеристики, как критическая температура сверхпроводящего перехода Тс, плотность критического тока Jc , электросопротивление Я. Рассматриваются результаты исследований по облучению различными частицами монокристаллов и тонких пленок УВаСиО. Обсуждаются также работы по компьютерному моделированию радиационных и диффузионных процессов УВаСиО.

Известно [4], что кислородная подсистема УВаСиО оказывает существенное влияние на сверхпроводящие свойства соединения. Так,критическая температура сверхпроводящего перехода Тс зависит от концентрации кислородных вакансий в СиО-цепочках [4] (см.рис.1). '

Для исследования кислородной подсистемы целесообразно использовать облучение, которое в данном случае может служить методом изучения микроструктуры вещества. Для этого более всего подходит такой вид облучения, с помощью которого можно селективно смещать лишь атомы кислорода. В работе [5] приведены результаты экспериментальных исследований таких воздействий на тонкие пленки УВаСиО. Было показано, что при увеличении дозы у-облучения критическая температура сверхпроводящего перехода Тс образца падает, повышается его сопротивление в нормальном состоянии. При этом на температурной зависимости электросопротивления у-облученных образцов выделяется два участка резкого уменьшения сопротивления, соответствующих разным температурам перехода Тс . В работе [5] также показано, что в пленках УВаСиО (ось с перпедикулярна плоскости, подложки), состоящих из микрокриетаплитов со средним размером в плоскости аЬ порядка микрона основные изменения при у-облучении связаны с кислородной подсистемой кристаллической решетки, то есть обеднение по кислороду приводит к изменению температурной зависимости электросопротивления и к понижению величины Тс.

Из литературных данных также известно, что при облучении различных образцов УВаСиО нейтронами, ионами, электронами с ростом дозы увеличивается величина плотности критического тока ]с (см., например, [6]). Такое увеличение критического тока в ВГСП-материалах может быть объяснено появлением в кристаллической решетке центров пиннинга магнитного потока. Жесткие излучения при взаимодействии с материалом приводят к образованию в кристаллической решетке широкого спектра дефектов, различающихся, как по своей природе, так и по размерам. При облучении нейтронами, ионами в материале образуются каскады атомных столкновений, в центре которых находятся сильно разупорядоченные области размером несколько наномегров, наблюдаемые в электронный микроскоп (ГЕМ) (см., например,¡3]). Кроме того, существуют и периферийные зоны каскадов, где генерируются точечные радиационные дефекты (вакансии и межузельные

атомы), причем эти зоны не идентифицируются в ТЕМ [1]. В ходе облучения и последующего отжига дефектная структура изменяется, что приводит к появлению новых типов дефектов (комплексообразование). В результате в материале образуется сложная система дефектов кристаллической решетки: точечные дефекты, их комплексы, разупорядоченные области. Все эти дефекты могут оказывать влияние на сверхпроводящие свойства материала (критическую температуру, плотность критического тока).

120 оо

100.00

во.оо

60.00

чо.оо

20.00

тс,к

О.ОО -1ШЧ1

0.00 0.20

0.<0

... .| I. I I I I М I II II I I

0.60 0.80

1.00

1.20

£=с„

VI

Рис. I. Зависимость критической температуры Тс от концентрации кислородных вакансий Су1 в Си-О цепочках [4].

При исследовании пиннинга в облученных нейтронами монокристаллах УВаСиО выявилась ярко выраженная анизотрош«; изменения плотности критического тока при облучении и последующем отжиге образцов (см., например, [7]). Показано, что в случае магнитного поля Н,параллельного плоскости аЬ (Н 11 аЬ), с увеличением температуры отжига величина плотности критического тока падает, а отжиг при 300°С приводит к возвращению Jc к значению' для необлученного образца. Авторы [7] связывают это с тем, что при Н 11 аЬ за пнннинг ответственны точечные дефекты, исчезающие в процессе отжига . При таких же режимах отжига плотность критического тока ири магнитном поле, параллельном оси с

изменилась слабо, а концентрация наблюдаемых в ТЕМ крупных дефектов не изменилась [7]. Таким образом, считается, что за пиннинг при Н I [ ab ответственны точечные центры пиннинга в периферийной зоне каскадной области.

Результаты работы [7] показывают, что точечные дефекты играют важную роль в пиннинге магнитного потока, то есть влияют на увеличение критического тока сверхпроводника. При этом природу и концентрацию точечных дефектов не удается определить прямыми методами. Поэтому необходимы теоретические исследования, в частности,компьютерное моделирование, дефектной структуры в облученных сверхпроводниках.

В экспериментальной части работы [4А] исследовались изменения коитической температуры сверхпроводящего перехода Тс при низкодозном нейтронном облучении и специальных режимах отжига монокристалла YBaCuO. Нейтронное облучение проходило в канале ядерного реактора TRIGA Атомного Института Австрийских Университетов в Вене (Австрия). .

Эксперименты проводились на образцах с начальной критической температурой Тс = 92.2 К, которые облучались дозами 1 и 2* 10"см-2, после каждой дозы облучения образец подвергался специальному сложному отжигу при температурах от 300 до 500 К:

1. Облучение нейтронами дозой JO" см 2 при температуре Тн = 323 К в течение tu = Зч 39м;

отжиг при Т.! = ЗОЗК в течение tai = 5/3 дня; отжиг при Т„2 = 293 К в течение ta2 = 10/3 дня. Это привело к снижению с Tci = 92.2 К до ТС2 = 92.0 К.

2. Отжиг при Таз = 523 I'в течение Цз = 8ч; отжиг при Та4 = ЗОЗ К в течение ta4 = 2 дней. При этом Тс увели1 ялось до 92.55 К.

3. Второе облучение нейтронами дозой Ю" см-2 при температуре Тп = 323К в течение t¡i = Зч 39м;

отжиг при Та7 = ЗОЗ К в течение ta? = 5/3 дня; отжиг при Та8 = 293 К в течение tas= 10/3 дня. После чего Тс упала до 92.1 К (см.рис.2.).

Такие специальные условия эксперимента были выбраны для исследования физических механизмов влияния нейтронного облучения на свойства сверхпроводников при облучении малыми дозами, когда возможно с помощью отжига отделить влияние точечных дефектов от больших по размеру каскадных областей.

93,5-

93,0-

92,5-

92,0-

91,5

тс,к 1 ■ 1 А ✓ ■ 1 \

о-... Ж. N Ч О

О........ - . "-ЕУ'- 1 в

0,9510

0,9505

0,9500

0,9495

0,9490

0,9485

Рис.2. Изменения критической температуры сверхпроводящего перехода Тс [4Л] и относительной концентрация кислорода (I - Си) в Си-О - цепочках при нейтронном облученни и отжиге монокристалла УВаСиО.

Во второй часть первой главы , рассматривается широкозонный полупроводник БЮ. Карбид кремния и материалы на его основе являются перспективными для мощной высокочастотной электроники. Одним из наиболее приемлемых способов создания структур на базе БЮ является его легирование с помощью ионной имплантации. Всвязи с этим в обзоре излагаются теоретические и экспериментальные данные по легированию, ионному облучению и диффузионным процессам в карбиде кремния. Приведены новые экспериментальные данные по высокотемпературной имплантации карбида кремния ионами А1+ и [8]. В данном случае совместная ионная имплантация впервые применяется для создания (51С)|.«(А1Ы)х - квазибинарной системы, широко изучаемой в последнее время вследствие хорошей смешиваемости карбида кремния и нитрата алюминия, хорошего соответствия их кристаллических решеток и возможности менять ширину запрещенной зоны в пределах от 2.9 еУ (бН^С) до 6.2 е\ (2Н-А11Ч). Методом КВЯ/С получены распределения дефектов структуры по глубине после-имплантации. После этого образцы были отожжены при температуре 1230°С в течение 1 часа и снова исследованы методом ЯВ5/С. В экспериментальной ;асти работы [5А] методом В К О были впервые определены распределения ионов азота для карбида кремния,

имплантированного ионами А1+ и N+. В работе [5А] соавторами диссертанта также получены данные по компьютерному моделированию баллистических процессов, происходящих в SiC при такой имплантации.

В заключении первой главы сформулированы задачи настоящей работы.

Во второй главе формулируются модели эволюции дефектных структур YBaCuO и SiC при облучении и отжиге. В первом параграфе описывается методика компьютерного моделирования дифузионных процессов с помощью решения систем кинетических уравнений для концетраций исследуемых дефектов, зависящих от пространства и времени. Такие системы учитывают различного рода реакции между дефектами, и вслествие своей сложности могут быть решены только численно. В настоящей работе для этого используется программа GEAR [9], модифицированная для расчетов пространственно неоднородных кощфнтраций дефектов.

Во втором параграфе предлагаются физические модели эволюции дефектных систем в YBaCuO при различных видах облучения: гамма квантами и нейтронами.

Для того чтобы детально разобраться в изменениях, происходящих в пленках YBaCuO при у-облучении (см., например [5]), в п.2.2.1. сформулирована физическая модель образования и эволюции дефектов в кислородной подрешетке YBaCuO при облучении и последующее отжиге, позволяющую описать поведение электросопротивления в зависимости от изменения температуры.

Предположения модели.

1. Пленка состоит из микрокристаллитов, каждый из которых представляем в виде кругового цилиндра высотой, равной толщине пленки.

2. В каждом микрокристаллите существует два типа стоков для кислорода: границы двойников и межкристаллитные границы.

3. Межкристаллитные границы являются мощными, ненасыщаемыми стоками с большой энергией связи кислорода со стоком то есть большим энергетическим барьером дм выхода кислорода из границы. Поэтому при комнатной температуре атомы кислорода не могут выйти из стоков в объем ми^рокристаллитов.

4. Границы двойников - насыщаемые стоки также с большой энергией связи кислорода со стоком.

5. При облучении у-квантами атомы кислорода смещаются за счет эффектов ионизации из положений O(l) и 0(4) (см.рис.З), имеющих наименьшие пороговые энергии смещения , то есть генерируются вакансии в положениях 0(1) к 0(4).

и

6. Выбитые из узлов атомы кислорода попадают в незаполненные структурные положения 0(5)(см.рис.З,).

7. По положениям 0(5) осуществляется диффузия кислорода в плоскости ab.

Рис.3. Структура элементарной ячейки YBaCuO.

8. Комнатной температуры Tr (температуры, при которой проводится облучение) недостаточно для рекомбинации атомов кислорода в положениях 0(5) с любыми вакансиями в 0(1) и 0(4) из-за наличия энергетического барьера для рекомбинации.

9. При отжиге:

- высокая температура отжига Та > Tr делает возможной рекомбинацию межузлий и вакансий кислорода.

- при повышенной температуре отжига Та (см.[5]) атомы кислорода, адсорбированные па этапе облучения in стоках, "выходят из границ, преодолевая энергетические барьеры, и диффундируют по наиболее доступным позициям 0(5) - структурным вакансиям (см. выше).

На основе изложенной модели была записана система балансных кинетических уравнений, учитывающих вышеуказанные процессы, а также из литературных данных и теоретических оценок подобраны параметры уравнений.

В первой части п.2.2.2. предлагается модель эволюции дефектной структуры при оггиге монокристалла УВаСиО, облученного нейтронами. Для изучения отжига дефектов, образованных при облучении, рассматривается периферийная зона каскадной области в одном модельном каскаде (расчеты по дефектообразованию в УВаСиО при нейтронном облучении были выполнены соавтором диссертанта В.С.Харламовым (см. (ЗА]). Поскольку, расстояние между каскадами велико (примерно 1000 А), то каждый каскад можно рассматривать изолированно. При этом полагаем, что в среднем эволюция дефектов протекает аналогично во всех каскадах, так как их параметры примерно совпадают. Поэтому результаты, полученные для одного каскада при усреднении экстраполируются на весь материал. Предполагается, что

1. При температурах отжига, использованных в эксперименте [7], подвижными являются только кислородные дефекты, так как они имеют наименьшую энергию миграции в УВаСиО, следовательно,их и будем учитывать в модели.

2. Созданные в процессе облучения в каскаде кислородные вакансии и межузлия диффундируют при отжиге преимущественно в плоскости аЬ.

3. В процессе диффузии вакансии и межузлия могут

а) рекомбинировать друг с другом;

б) уходить на центральную зону каскадной области, рассматриваемую, как сток.

4. Поскольку исследуется монокристалл, то другие стоки (например, границы зерен) не учитываются.

з. Кислородные межузлия могут образовывать комплексы:

а)состоящие из двух или трех межузлий (би-и тримежузлия),

б)объединяться в комплексы с межузлиями меди. При этом учитываются комплексы меди с одним и двумя межузелы-.ыми атомами кислорода. Рассмотрение ограничивается только этими комплексами, более крупные не учитываются, так как их концентрация должна быть пренебрежимо мала по сравнению с вышеперечисленными, поскольку более крупные комплексы образуются из мелких с малой вероятностью.

6. Так как энергия миграции комплексов дефектов должна быть большой, они считаются неподвижными, то есть их коэффициенты диффузиии равны нулю.

7. При высоких температурах отжига возможна диссоциация комплексов перечисленных типов.

8. Такие комплексы дефектов рассматриваются как центры пшшинга магнитного потока.

Для анализа изменений Тс после нейтронного облучения и последующего отжига (экспериментальные данные приведены в работе [4А]), во второй части п.2.2.2 была предложена более упрощенная по сравнению с вышеизложенной модель:

1. Рассматриваются средние относительные (на одну элементарную ячейку) концентрации следующих дефектов в кислородной подсистеме:

- вакансии в Cu-O-цепочках (положение O(l) (см.рис.З)),

- кислородные атомы в положении 0(5);

- вакансии в других (кроме цепочек) положениях кристаллической решетки;

- межузлия кислорода;

- комплексы из двух кислородных межузлий.

2. Нейтроны смещают кислородные атомы из их положений в кристаллической решетке, что приводит к образованию вакансий и межузлий.

3. Вакансии и межузлия могут мигрировать в процессе отжига, рекомбинировать с вакансиями и образовывать кластеры.

4. При высокой температуре отжига (523К, [4А]) возможны: миграция вакансий и диссоциация комплексов. Изменения в концентрации кислородных вакансий в Cu-O-цепочках при облучении и отжиге ведут к изменениям Тс (см. зависимость Tq от концентрации кислородных вакансий на рис.1).

5. Предполагаем, что до облучения в Си-О-цепочка* содержалась определенное количество вакансий. Атомы кислорода, смещенные облучением из других позиций, могут рекомбинировать с этими вакансиями . Содержание кислорода в Cu-O-цепочках составляет приблизительно !/7 от общего количества кислорода в YBaCuO. Следовательно, относительно небольшое число кислородных атомов, смещенных из положений отличных от O(l), могут привести к существенному уменьшению количества кислородных вакансий в 0(1) при рекомбинации. В результате при высоких температурах отжига концентрация этих вакансий может уменьшиться по сравнению с ее значением до облучения, что ведет к увеличению Тс.

В предложенной модели для простоты не учитываются комплексы, состоящие из трех межузлий кислорода, а также меди и кислорода, поскольку основной интерес представляет концентрация кислородных вакансий в Cu-O-цепочках, оказывающая влияние на изменения Тс.

Для описания эволюции кислородных дефектов при нейтронном и гамма-облучении, а также специальных режимах отжига YBaCuO в пп. 2.2.1. и 2.2 1. были

14 -

записаны системы балансных уравнений для относительных концентраций указанных выше дефектов.

В п.2.3. предлагается физическая модель высокотемпературной имплантации ионами А1+ и N+ карбида кремния.

Для описания процессов, происходящих при облучении SiC ионами А1+ и N+ при температурах 400", 600"С,в п.2.3, предлагается следующая модель:

1. Ионы А\+ и Н+, взаимодействуя с кристаллической решеткой SiC, образуют межузлия и вакансии в обеих подсистемах материала (углерода и кремния).

2. При имплантации - ионы А1+ занимают вакансии в подрешетке кремния, а ионы N+ - в подрешетке углерода.

3. В процессе облучения возможна диффузия межузельных атомов углерода и кремния, а также их рекомбинация со своими вакансиями.

4. Вакансии и имплантированные ионы считаются неподвижными, поскольку

а) вакансии имеют большую энергию активации миграции (см.[5А]);

б) из сравнения экспериментальных и рассчитанных в [5А] балистических профилей залегания ионов N+ в SiC видно, что эти ионы не диффундируют при используемых температурах (то же самое предполагается для ионов А1+).

5. В области г > 120 нм межузлия углерода и кремния могут образовываться комплекы, состоящие из двух межузлий углерода или кремния.

6. В области г < 120 нм комплексы межузлий не образуются, что можно объяснить влиянием поверхности, в частности, примесей на поверхности (см. пик на распределениях дефектов при г < 50 нм на рис.5).

7. При г < 120 нм диффузия межузлий углерода и кремния затруднена вследствие возможных напряжений сжатия. При этом можно предположить, что поскольку концентрация дефектов в глубине (г >120 нм) больше, чем у поверхности (см.рис.5), то есть сжатие в глубине больше, то и диффузия межузлий из объема в приповерхностную область (г < 120 нм) быстрее, чем в обратном направлении.

На основе предположений (1) - (7) была записана система балансных кинетических уравнений для вышеназванных относительных концентраций точечных дефектов, зависящих от глубины и времени.

Третья глава посвящена расчетам распределений дефектов в YBaCuO и SiC при облучении и отжиге по предложенным во второй главе моделям, а также сравнению полученных результатов с экспериментальными данными.

В пункте 3.1. приведены расчетные распределения точечных дефектов в кислородной подсистеме материала при гамма-облучении и отжиге модикристаллических пленок YBaCuO. Получено, что в процессе облучения в

каждом микрокристаллите пленки образуется обедненная по кислороду область, прилегающая к границе зерна. В результате материал разбивается на две фазы с разным содержанием кислорода, а следовательно, и с различной температурой сверхпроводящего перехода Тс [4], при этом область с более низкой Тс (внешняя) экранирует внутреннюю область с более высокой Тс. Поэтому на температурной зависимости электросопротивления выделяются два участка с разной Тс , что и наблюдается на эксперименте [5]. Кроме того, в п.3.1. предложена также модель расчета температурной зависимости электросопротивления в области сверхпроводящего перехода для поликристаллической пленки УВаСиО, содержащей две фазы с разной Тс , как указано выше. Был проведен такой расчет для пленок, подвергнутых двум различным дозам гамма-облучения (см. [5]). Расчетные и экспериментальные результаты представлены на рис.4.

2,0

1,5

£ 01,0

о:"

0,5 0,0

30 40 50 60 70 ф 90

т, К

Рис.4. Зависимости электросопротивления пленки УВаСиО от температуры при различных дозах у-облучения: экспериментальные данные из [5] (1 - при дозеФ| " 1.64 1018 см2 , 2 - при дозе Фг =3.64 Ю18 см-' ;), Расчетные кривые: 3 - при дозе Ф1 = 1.64 1018 см'г, 4- Фг =3.64 10" смг,

Видно, что наблюдается удовлетворительное согласие теоретических и экспериментальных данных в области низких температур. При более высоких

температурах становится заметным ке учтенное в модели различие мнкрокристаллитоо пленки по составу и размерам, что и приводит к расхождению расчетных и экспериментальных зависимостей.

В разделе 3.2. представлены расчеты эволюции системы точечных дефектов в периферийных зонах каскадных областей в монокристалле УВаСиО, облученного нейтронами. При этом в качестве центров пиннинга магнитного потока при магнитном поле,параллельном плоскости аЬ,рассматриваются мелкие комплексы этих дефектов. Показано, что в процессе отжига при повышенных температурах < 100°, 200° и 300°С) возможна многостадийная диссоциация сформировавшихся комплексов (би- и тримежузлий кислорода и комплексов межузлий кислорода и меди), имеющих разные энергии связи. Это приводит к поэтапному снижению плотности критического тока при различных темпьратурах отжига для магнитного п<Й1я, параллельного плоскости аЬ. Из сравнения экспериментальных данных [7] и результатов настоящих расчетов, получено, что плотность критического тока при магнитном поле,параллельном плоскости аЬ, пропорциональна средней суммарной концентрации точечных центров пиннинга.

В разделе 3.3. приведены расчеты изменений в кислородной подсистеме монокристалла УВаСиО при нейтронном облучении и специальных режимах отжига. Па рис. 2 изображены экспериментально наблюдаемые изменения Т с и расчетные значения относительной концентрации (1 - С»|) атомов кислорода в.Си-О-цепочках после различных этапов облучения и отжига. Видно, что критическая температура пропорциональна концентрации кислорода при малых вариациях Тс вблизи первоначального значения.

Таким образом, установлена тенденция изменений концентрации вакансий в Си-О-цепочках при нейтронном облучении и различных условиях отжига 5 монокристалле УВаСиО. В соответствии с зависимостью Тс(Сл) (см.рис.1.) эп: малые концентрационные изменения приводят к небольшим вариациям критической температуры сверхпроводящего перехода.

В п.3.4. изложены результаты расчетов распределений дефектов в карбиде кремния при имплантации ионами А1+ и 1М+ при высоких температурах и огжиге. Проведены сравнение с экспериментальными данными и численная оценка некоторых параметров материала, в результате расчетов получены распределения но глубине концентраций исследуемых дефектов после облучения при 400°, 600°С и отжига облученных образцов при 1200"С. На рис.5 представлены рассчитанные суммарные распределения дефектов после облучения при 40()'>С и отжша п сравнении с профилями, рассчитанными из «ВН - данных.

1,0-

403°C, irr. calc.

N* (65 keV, 120 keV), Af (100 keV, 160 keV)

— SiC

0,0

.0

1000

2000 Depth, A

3000

4000

Рис.5. Сравнение экспериментальных RBS- профилей залегания дефектов [8,5А] с рассчитанными суммарными распределениями дефектов ( при учете диффузионных процессов) в образцах SiC, облученных при температуре 400° и отожженных при 1200°С.

Кривые irr.exp. и апп.ехр. - экспериментальные результаты работ [8,5А] по облучению и отжигу,соответственно,

кривые irr.calc. и ann.calc. -расчетные.

Кривая "ions and Ai+:"-рассчитанный суммарный баллистический профиль залегания ионов в SiC [5А].

Рекомбинация оставшихся после облучения при 400°С вакансий и межузлий приводит к уменьшению суммарной концентрации дефектов в образце (см. кривые 400°С, irr.caic. и 400°С, ann.calc.). За время облучения при 600°С эти дефекты рекомбинируют уже в процессе облучения, поэтому кривые для облученного и отожженного образцов практически совпадают. Из рис.5 видно, что теоретические результаты удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, как для случая облучения, так и для случая отжига. Наблюдается отличие в результатах расчетных и ' экспериментальных распределений при 50нм < г < !500нм. Это может быть объяснено тем, что неизвестна

пространственная зависимость поля напряжений, которое, вероятно, определяет диффузию дефектов в этой области. Кроме того, есть сильное различие в характере поведения расчетных и экспериментальных кривых при г < 50 нм. Это может быть связано с тем, что в модели не учитываются примеси на поверхности, возникающие в процессе изготовления образцов.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы:

1. Разработаны адекватные физические модели :

а) эволюции кислородной подсистемы тонких пленок УВаСиО, состоящих из микрокристаллитов микронного размера, при гамма-облучении;

б) эволюции точечных дефектов в монокристаллах УВаСиО при нейтронном облученни и последующем отжиге.

2. Для тонких пленок УВаСиО, подвергнутых различным дозам гамма-облучения:

а) рассчитаны по предложенной модели распределения точечных дефектов в кислородной подсистеме, образованных в результате гамма-облучения;

б) определены на основе полученных распределений точечных дефектов зависимости электросопротивления облученных образцов от температуры Я(Т) при низких температурах, удовлетворительно совпадающие с экспкриментальными результатами.

4. Получены распределения точечных дефектов и их комплексов в кислородной и медной подсистемах монокристаллов УВаСиО при нейтронном облучении и отжиге.

5. Показано на основе сравнения расчетных теоретических результатов и известных экспериментальных данных, что при малых дозах нейтронного облучения в монокристалле УВаСиО:

а) плотность критического тока Jc пропорциональна средней суммарной концентрации центров пиннинга <С(г)> при малых магнитных полях параллельных плоскости аЬ

Зс~<С(г)>)

б) критическая температура сверхпроводящего перехода Тс пропорциональна относительной концентрации кислорода в Си-О-цепочках при малых вариациях Тс вблизи первоначального значения.

6. Численно оценены следующие кинетические параметры УВаСиО: .

- сечение образования кислородной вакансии путем ионизации при гамма-облучении а » 3 *10-">см2,

- сила стока двойниковых границ в пленках 5(<;« 9*10шсм"г,

- энершя связи кислорода с межкристаллитнмми границами Л и 1.5)В,

- энергии диссоциации кислородных ¿ » 1.5 эВ, к медь-кислородных комплексов е » 1.9 эВ,

- энергия миграции межузельного кислорода в плоскости ab я 0.8эВ.

7. Разработана физическая модель эволюции дефектной структуры карбида кремния при высокотемпературной имплантации дюнами А1+о и N+ и последующем отжиге.

8. Рассчитаны распределения дефектов в StC после облучения ионами и отжига, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными данными для различных температур облучения.

9. Численно оценены следующие кинетические параметры карбида кремния:

- энергия активации миграции межузельных атомов Si , равная /' и 1.55 эВ,

- параметры рекомбинации для углерода ис ~ 4тг10'1г см и кремния //j» 4л-ICH0 см.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи.

1А. Д.В. Куликов, P.A. Сурис, Ю.В. Трушин, Физическая модель эволюции кислородной подсистемы в YBaCuO под действием у -облучения, ФТТ,Т.36,ШО, стр.2975-29S7 (1994).

2А. D.V.Kulikov, R.A.Suris, Yu.V.Trushin, A model of oxygen-subsystem defects interaction with intercrystalline boundaries in polycrystalline YBaCuO films under у - irradiation, SupercondSciTechnol8(1995)p.303- 310.

ЗА. Д.В.Куликов, Р.А.Сурис, Ю.В.Трушин, В.С.Харламов, Д.Циганков,

Компьютерное моделирование процессов отжига точечных центров пиннинга магнитного потока в облученном нейтронами YBaCuO, Письма в ЖТФ, т.22, вып.22, стр.38-43 (1996).

4А. F.M. Sauerzopf,М. Werner, H.W. Weber, R.A. Suris, D.V. Kulikov, V.S. Kharlamov. Yu.V. Trushin, Small Defects in YBCO Single Crystals: Tc After Neutron Irradiation and Annealing, Physica C, 282-289, p. 1333-1334 (1997).

5A. Р.А.Янков, М.Фёльсков, У.Крайссиг, Д.В.Куликов, Й.Пецольдт, В.Скорупа, Ю.В.Трушин, В.С.Харламов, Д.Н.Циганков, Высокотемпературная имплантация ионов N+ и А1+ в бН-SiC при высоких дозах, Письма в ЖТФ, т.23, N16, с.6-14 (1997).

6А. Д.В.Куликов, Ю.В.Трушин, Р А.Янков, Й.Пецольдт, В.Скорупа, Теоретическое списание высокотемпературной имплантации карбида кремния ионами N+ и А1+, Письма в Ж'ГФ, т.24, NKI9Í-8).

7А. Kulikov D.V., Suris R.A., Trushin Yu.V., Kharlamov V.S., Tsigankov D.N., Physical model of pinning centers annealing processes in neutron irradiated YBaCuO, SPIE - The International Society for Optical Engeneering), v.3345, Jan. 1998, pp.241 -248.

8A. V.S. Kharlamov, D.V. Kulikov, Yu.V. Truschin, D.N. Tsigankov,R.A. Yankov, M. Voelskow, W. Skorupa, J. Pezoldt, Computer simulation RBS/C studies of high dose N+ and Al+ co-implantation in 6H-SiC, SPIE - The International Society for Optical Engeneering), v.3345, Jan. 1998, pp.257-261. . . . '

Материалы конференций.

9A, D.V.KuIikov, R.A.Suris, Yu.V.Trushin, A model of oxygen-subsystem defects interaction with intercrystalline boundaries in polycrystalline YBaCuO films under у -irradiation, Proc. of9th int. School on Vacuum, Electron and Ion Technologies VElT'95,Sozopol, 14-18 Sept 1995, Bulgaria, p.84.

10A. Ю.В. Трушин, Д.В. Куликов, B.C. Харламов, Теория и компьютерное моделирование радиационных процессов в многокомпонентных материалов, Второй Международный Уральский Семинар "Радиационная Физика Металлов и Сплавов" Тезисы докладов, 23 февраля - 1 марта, Снежинск, Россия, стр.50, 1997.

11А. Д.В.Куликов, Р.А.Сурис, Ю.В.Трушин, В.С.Харламов, Д.Циганков, Физическая модель процессов отжига точечных центров пиннинга в . облученном нейтронами YBaCuO,. Второй Международный Уральский Семинар "Радиационная Физика Металлов и Сплавов" Тезисы докладов, 23 февраля - 1 марта, Снежинск, Россия, стр. 108, 1997.

I2A. Kulikov D.V., Suris R.A., Trushin Yu.V., Kharlamov V.S., Tsigankov D.N., Physical model of pinning centers annealing processes in neutron irradiated YBaCuO, International Workshop on New Approaches to Hi-Tech Materials-97 (Nondestructive Testing and Computer Simulations in Materials Science and Engineering),Program and Abstracts, 9-12 June 1997, St.Petersburg, Russia, C2-4.

13A. V.S. Kharlamov, D.V. Kulikov, Yu.V. Truschin, D.N. Tsigankov.R.A. Yankov, M. Voelskow, W. Skorupa, J. Pezoldt, Computer simulation RBS/C studies of high dose N+and Al+ co-implantation in 6H-SiC, International Workshop on New-Approaches to Hi-Tech Materials 97 (Nondestructive Testing and Computer Simulations in Materials Science and Engineering),Program and Abstracts, 9-12 June 1997, St.Petersburg, Russia, C2-I3-

14A. Trushin Yu.V., Kulikov D.V., Kharlamov V.S.Tlieory and Computer Simulation of Radiation Processes in Polyatomic and Multilayered Materials. Материалы

Тринадцатой Международной конференции . "Взаимодействие ионов с поверхностью", Москва 1997, т.2, с.228-233.

15А. Yu.V. Truschin, R.A. Yankov V.S. Kbarlamov, D.V. Kulikov, D.N. Tsigankov, U. Kreissig, M. Voelskcw, J. Pezoldt, W. Skorupa, A computational model of the formation of (SiC)i.n(AlN)x by hot, high-dose N+ and Al+ co-implant2 in 6H-SiC, l'roc. oflnt. Conf. on Silicon Carbide, III - nitrides and related materials - 1997, Aug 31 - Sept 5,1997, Sockholm, Sweden , to be published.

Цишруемая литература

1. Кирсанов В.S-, Суворов А.Л.; Трушин Ю.В. Процессы радиационного дефектообразования в металлах. М., Энергоатомиздат, 1985, 272 с.

2. Кирсанов В.В., ЭВМ-эксперимент в атомном материаловедении, М., Энергоатомиздат, 1990, 304 стр.

3. Trushin Yu.V. Theory of Radiation Processes in Metal Solid Solutions, Nova Science Publishers Inc., NY , 1996 ,405 p.

4. Cava R.J., Battlogg В.,Chen C.H., Rietman E.A., Zahurak,S.M., WerderD., Phys.Rev.B, v.36,N.10, p.5719, 1987.

5. B.B. Емцев, В.Ю. Давыдов, С.Ф. Карманенко, Д.С. Полоскин, И.H. Гончарук, ФТТ,т.36,К10 ,с.29б5, 1994.

6. И.А. Аброян, В.Я. Величко, Изв-я. Акад. Наук. сер. физ., т.54, N7, с.1396 (1990). Shiraishi К., J.Nucl.Mater., v. 169,p.305, 1989.

7. В.M. Vlcek, H.K.Viswanathan, M.C.Frischhera, S.Flesher, K.G. Vandervoort, I. Downey, U. Welp, M.A.Kirk, GAV.Crabtree, Phys.Rev. B, v.48, N.6, p.4067 -4073, 1993.

8. R.A Yankov., N.Hatzopoulos, W.Fukarek, M.Voelskovv, V.Heera, J.Pezoldt, VV.Skorupa, Mat.Res.Symp.Proc. 1997 V.438.P.271-276.

9. Hindmarch A.C., GEAR : ordinary differential equation system solver, Lawrence Livermore Laboratory, REPORT UCID-3000, REV.3, decembcr ¿974.

Отпечатано в типографии ПИЯФ РАН 188350 Гатчина Ленингрэяскоп обл., Орлова роша Зак.475, тир.100, уч.-пздл. 1; 19.12.1497 г.