Наноразмерные дефекты на поверхности монокристаллов Al2O3 и MgO, вызванные тяжелыми ионами высоких энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

14-2004-10

На правах рукописи УДК 538.97

ЕФИМОВ

Антон Евгеньевич

НАНОРАЗМЕРНЫЕ ДЕФЕКТЫ НА ПОВЕРХНОСТИ МОНОКРИСТАЛЛОВ А1203 И МяО, ВЫЗВАННЫЕ ТЯЖЕЛЫМИ ИОНАМИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

Специальность: 01.04.07 — физика конденсированного

состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Дубна 2004

Работа выполнена в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н.Флерова Объединенного института адерных исследований, Дубна

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

кандидат физико-математических наук Скуратов В.А.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор физико-математических наук

профессор Рязанов А.И.

доктор физико-математических наук Осипов В.А.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Федеральное государственное унитарное предприятие

«Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф. В. Лукина»

Защита состоится «_»_в_часов

на заседании диссертационного совета В.720.001.06 при Объединенном институте ядерных исследований по адресу: 141980, г. Дубна, Объединенный институт ядерных исследований.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ. Автореферат разослан «_»_2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Попеко А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Последние достижения техники атомно-силовой микроскопии (АСМ) позволили выделить в радиационной физике твердого тела новое направление, связанное с исследованием структурных повреждений поверхности, вызываемых воздействием единичных ионов высоких энергий (Е I МэВ/а.е.м.), и их связи с радиационными повреждениями в объеме материала. Эти работы представляют значительный интерес, поскольку характерный для подобного облучения высокий уровень удельных ионизационных потерь энергии, достигающий нескольких десятков кэВ/нм, может служить источником специфических структурных нарушений, не наблюдаемых при бомбардировке другими ядерными частицами. К таким эффектам относятся, прежде всего, структурно-фазовые превращения и формирование латентных треков в объеме, и образование нано-размерных дефектов на поверхности мишени. Несмотря на постоянно растущее число экспериментальных и теоретических работ, посвященных данной тематике, в настоящее время нет единого представления о микроскопических механизмах дефектообразования и эволюции дефектной структуры в твердых телах при такой высокой плотности ионизации.

К числу материалов, в которых эффекты ионизации практически не изучены, относятся монокристаллы и керамики оксидов, карбидов и нитридов, такие как,

являющихся одними из наиболее радиационно-стойких диэлектриков. Исследования их структурного отклика на воздействие высокоэнергетического ионного облучения имеет большое практическое значение для моделирования эффектов, вызываемых осколками деления, т.е. атомами с массой от 80 до 155 а.е.м. и энергией около ста МэВ, в инертных разбавителях (матрицах) композитного ядерного топлива. Необходимо отметить, что процессы, происходящие в треках осколков деления, не могут быть смоделированы с использованием достаточно широко доступных пучков тяжелых ионов с энергиями в несколько МэВ, поскольку для получения корректных результатов необходимо учитывать эффекты высокой плотности ионизации. Это возможно только при использовании высокоэнергетического ионного облучения в широком интервале масс и энергий, позволяющих варьировать различные уровни ионизационных и ядерных потерь энергии для моделирования воздействия продуктов деления.

Создание и исследование свойств наноразмерных структур на поверхности на поверхности твердых тел с помощью тяжелых ионов высоких энергий представляет интерес также для решения задач нанотехнологии. Уменьшение размеров микроэлектронных элементов требует разработки новых методов формирования элементов с характерными размерами в десятки нанометров, и управляемое с ние ctovktvdhux валианионныхе к -

тов является одним из перспективных направлений в данной области. Следует заметить, что на момент начала исследований, результаты которых представлены в настоящей работе, существовало весьма ограниченное число работ по исследованиям наноразмерных радиационных дефектов, создаваемых на поверхности высокоэнергетическими ионами. Для радиационно-стойких диэлектриков отдельные эксперименты проводились только с использованием пучков ионных кластеров.

Целью настоящей работы являлось экспериментальное исследование структурных нарушений поверхности монокристаллов AI^Oj и MgO, вызванных бомбардировкой тяжелыми ионами с энергиями в диапазоне

Научная новизна. В ходе выполнения диссертационной работы были впервые рассмотрены и решены следующие задачи:

Впервые методами АСМ на поверхности монокристаллов AI2O3 И MgO исследованы закономерности формирования наноразмерных структурных дефектов, индуцированных высокоэнергетичными тяжелыми ионами, и определены пороговые значения плотности ионизации, начиная с которых наблюдаются изменения топографии поверхности данных кристаллов, получены данные об эволюции рельефа поверхности с изменением ионного флюенса и геометрических параметрах дефектов при различных углах падения ионов.

Установлено, что образование наноразмерных дефектов на поверхности происходит при плотности ионизации меньше порога образования латентных аморфных треков в объеме материала и не связано с процессами структурно-фазовых превращений (перехода кристаллической фазы в аморфную) в ионных треках.

Практическая значимость работы. Полученные в работе результаты могут быть использованы при решении задач физики радиационных повреждений, связанных с моделированием эффектов, вызываемых осколками деления в инертных разбавителях композитного ядерного топлива и других диэлектрических материалах, являющихся элементами конструкций ядерно-энергетических установок, а также при разработке технологий высокоэнергетической ионной имплантации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования изменения профиля поверхности монокристаллов AI2O3 и

вызванной облучением ионами с энергией

2. Установленные закономерности формирования наноразмерных радиационных дефектов на поверхности в зависимости от уровня удельных ионизационных потерь энергии ионов, ионного флюенса и угла падения ионного пучка.

3. Результаты исследований связи структурных нарушений, вызванных облучением высокоэнергетическими ионами Bi в объеме и на поверхности монокристаллов AI2O3.

Апробация работы. Основные результаты и отдельные положения диссертации докладывались на международной конференции "Nuclear Tracks in Solids", Portoroz, Slovenia, August 28 - September 1, 2000, «Scanning Probe Microscopy», международном совещании "Scanning Probe Microscopy -2001", Nizhny Novgorod, Febrary 26 -March 1, 2001, XI международной конференции «Scanning Tunneling Microscopy», 2001, Toronto, Canada, международном совещании "EuNITT Workshop on Ion Track Technology", 25-26 February, 2002 Caen, France, XIV международном совещании «Inelastic Ion-Surface Collisions», Am-eland, Netherlands, 13th International Conference on Surface Modification of Materials by Ion Beams, September 21 -26, 2003, San Antonio, Texas, USA, V международной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом", Минск, Беларусь, 6-9 октября 2003, семинарах Центра прикладной физики Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 4 статьях в реферируемых научных журналах, 1 докладе и 2 тезисах в сборниках материалов совещаний и конференций.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации - 107 страниц машинописного текста, включая 30 рисунков, 3 таблиц и библиографический список из 98 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель диссертационной работы. Показана практическая важность и научная новизна полученных результатов. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации носит обзорный характер. В первой части представлены основные характеристики первичных радиационных повреждений, вызываемых высокоэнергетическими тяжелыми ионами в твердых телах и методы их расчета. Далее приводятся и обсуждаются известные из литературы данные о структурных эффектах ионизации в диэлектриках, и механизмах, привлекаемых для их описания. Как правило, анализ экспериментальных результатов проводится в рамках двух моделей - кулоновского взрыва и термического пика. В большинстве работ при анализе экспериментальных результатов используется основное предположение модели термического пика - образование разупо-рядоченных областей вдоль траектории иона происходит за счет локального повышения температуры до уровня, превышающего температуру плавления и последующего быстро-

го остывания. Такой подход дает возможность получить для значительного числа комбинаций ион плюс мишень близкие к наблюдаемым значения поперечных размеров латентных треков и пороговых уровней плотности ионизации, необходимых для их формирования. В то же время, эта модель не позволяет объяснить многие экспериментальные данные и единый микроскопический механизм образования дефектов за счет электронного торможения тяжелых ионов еще не создан.

В третьей части главы рассматриваются известные из литературы данные по нарушениям поверхности диэлектрических кристаллов тяжелыми заряженными частицами. В зависимости от свойств материала мишени и параметров облучения на поверхности регистрируются наноразмерные дефекты двух видов - кратеры и хиллоки (выступы), образование которых связывается с разными механизмами. Считается, что появление кратеров является результатом распыления материала и характерно, главным образом, для облучения низкоэнергетическими ионами. К числу наиболее вероятных процессов, ответственных за образование хиллоков, относят структурно-фазовые превращения в области ионного трека и пластическую деформацию поверхности под действием ударных волн, генерируемых единичными ионами. Одним из факторов, влияющих на изменение топографии поверхности диэлектриков при ионной бомбардировке, является также заряд ионов. В работах по распылению низкоэнергетическими многозарядными ионами установлено, что коэффициент распыления увеличивается с ростом заряда ионов [1]. Особенно наглядно данная зависимость проявляется на кристаллах, в которых возможна автолокализация электронных возбуждений, т.е. существование автолокализованных электронов и дырок. В то же время отмечается, что этот эффект проявляется при достаточно высоких ионных флюенсах и не связан с воздействием единичных ионов.

Согласно имеющимся данным, дефекты в форме хиллоков на поверхности радиаци-онно-стойких окислов наблюдались только в условиях сверхвысокого уровня

ионизационных потерь энергии, 46 -т70 кэВ/нм, при облучении фуллеренами с энергиями несколько десятков МэВ. На основе сравнения данных АСМ и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) была установлена корреляция между изменениями поверхности и латентными треками в объеме монокристаллов сапфира [2]. Высказано предположение, что появление хиллоков является следствием фазового перехода кристаллическая -аморфная фаза в области латентного трека. Так как плотность аморфной фазы на несколько процентов меньше кристаллической, это приводит к увеличению объема и выдавливанию вещества на поверхность как результат релаксации механических напряжений. Необходимо отметить, что данных по структурным нарушениям поверхности кристаллов тугоплавких окислов кристаллов высокоэнергетическими моноатомными частицами в литера-

туре нет. В заключение к первой главе формулируется постановка задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведена методика облучения образцов на ускорителе тяжелых ионов, дано краткое описание метода АСМ и режимов работы атомно-силового микроскопа при исследовании поверхности, рассмотрены основные факторы, определяющие пространственное разрешение по вертикали и горизонтали и источники искажений. В третьей части главы обсуждается предложенный автором метод коррекции АСМ изображений с учетом влияния зондовых артефактов. В заключительной части дана характеристика объектов исследований.

Облучение высокоэнергетическими тяжелыми ионами проводилось на канале для прикладных исследований 10-А циклотрона У-400 ЯЯР ОИЯИ. Монокристаллы AI2O3, в виде пластинок толщиной мм крепились с помощью тепло-

и электропроводящего углеродного клея к мишенному держателю, охлаждаемому водой. Для исключения перегрева облучаемых мишеней плотность потока ионов составляла 1*2х108 см"2с"'. При таком режиме оолучения тепловая мощность, вносимая ионным пучком, не превышала десятых долей Вт. Флюенс ионов составлял 1*2x10'° см"2. Часть образцов AhOj была облучена под различными углами падения ионного пучка - 15, 30, 45, 60 и 75 градусов, а также при температуре жидкого азота. Для исследования повреждений поверхности кристаллов с существующей дефектной структурой, образцы АЛОз предварительно облучались ионами гелия с энергией 20 кэВ до флюенсов 1014 -г- К)" см'^на стенде ЭЦР-источника ЯЯР ОИЯИ и установке LIMBE (low-energy multicharged-ion beam) в GANIL (Каен, Франция).

Отмечается, что условия облучения на циклотроне и У-400 отвечают специальным требованиям, предъявляемые к экспериментам на ускорителях заряженных частиц, в частности, однородности распределения пучка ионов по площади образца. На циклотроне У-400 однородное распределение достигалось путем использования систем магнитного и электростатического сканирования пучка (частота сканирования 120 и 2-8кГц) в вертикальном и горизонтальном направлениях, соответственно.

Для изменения энергии ионов использовались поглощающие экраны из алюминиевой фольги различной толщины, закрывавшие различные части одного и того же образца, что позволяло наиболее корректно сравнивать полученные результаты. Разброс энергий ионов, прошедших через алюминиевые экраны, не превышал ± 4 МэВ для максимальной толщины поглотителя 25,5 мкм. Тип и энергии использовавшихся ионов представлены в таблице 1. Указанные энергии ионов после прохождения экранов, а также величины иони-

зационных и ядерных потерь энергии в приповерхностном слое мишеней рассчитаны с помощью программы SRIM2000.

Изучение поверхности образцов проводилось с помощью сканирующего зондового микроскопа Solver-P47 разработанного компанией НТ-МДТ на базе НИИФП им, Лукина (Зеленоград). Измерения проводились в резонансном режиме (режиме «таппинга»), при котором силы, действующие между зондом и образцом минимальны, что обеспечивает сохранность поверхностных структур в ходе измерений. Для измерений использовались кремниевые зонды (кантилеверы) с резонансной частотой ~300 кГц, жесткостью —40 Н/м и радиусом кривизны острия <10 нм. В результате измерений были получены трехмерные изображения топографии поверхности образцов. Для учета искажений, вносимых в АСМ-изображения зондом, и корректной оценки размеров наблюдаемых дефектов было разработано специальное программное обеспечение (программа обработки изображений DECONVO).

Электронно-микроскопические измерения были выполнены на автоэмиссионном электронном микроскопе Hitachi HF-2000 в Ок-Риджской национальной лаборатории (США).

В экспериментах использовались образцы кристаллов MgO компаний "Crystal Gmbh", Берлин и "MTI Corporation", США, образцы кристаллов MgA1204 компании "MTI Corporation", США и образцы кристаллов сапфира компании "Сапфир-ЭЛМА", Зеленоград, и Института кристаллографии Академии наук (ИКАН). Образцы карбида кремния представляли собой высокоомный эпитаксиальный слой политипа 4H-SÏC толщиной 30 микрон, выращенный методом газотранспортной эпитаксии на коммерческой подложке компании "Сгее".

В третьей главе приведены результаты экспериментов по исследованию нанораз-мерных дефектов на поверхности образцов вызванных высокоэнергетиче-

скими ионами криптона и висмута. В первой части главы 3 анализируется зависимость параметров наблюдаемых дефектов от плотности ионизации, температуры облучения и угла падения ионов. В результате АСМ-исследований обнаружено, что воздействие ионов Bi на поверхность монокристаллов сопровождается формированием нано-

размерных дефектов в виде хиллоков конической формы. Плотность наблюдаемых хилло-ков согласуется с флюенсом ионов в пределах экспериментальной ошибки его оп-

ределения. Это дает основание утверждать, что каждый дефект появляется в результате воздействия единичного иона. На образцах сапфира, облученного ионами хиллоки наблюдались при всех использовавшихся энергиях ионов вплоть до наименьшей - 128 МэВ. что соответствует плотности ионизации 25,4 кэВ/нм.

Таблица 1. Условия облучения образцов монокристаллов.

Тип и заряд ионов ВГ В^1 ВГ' В1™ В1+" К/" Кх*21 Хе+41

Толщина поглотителя, мкм 0 0 0 8,5 17 25,5 0 0 0 0

Энергия ионов, МэВ 710 710 710 495 292 128 245 245 305 595

((1Е/<1х)10П, кэВ/нм 41 38,1 34 39 36 25,4 15,8 15,5 16,6 26

(ёЕ/ёх)„, кэВ/нм 0,08 0,1 0,1 0,12 0,35 0,7 0,035 0,031 0,03 0,04

материал мишени АЬОз МеО эю А1203 А1203 А1203 МеО \^Д1204 А120з А1203

угол падения ионов 0°, 30°, 45°, 60°, 75° 0° 0° 0° 0° 0° 0° 0° 0° 0°

температура облучения, К 300, 77 300 300 300 300 300 300 300 300 • 300

флюенс облучения, ион/см2 2*10ш, 1x10", 5x10", 1хЮ12 2*10'и 2*10ш 2хЮ,и 2хЮ'и 2x10'° 2хЮш 2хЮ10 2х10'и 2хЮ10

В то же время, облучение сапфира ионами Кг с энергией 245 МэВ и Хе с энергией 610 МэВ не приводит к образованию подобных дефектов. Заметное изменение топографии поверхности монокристаллов детектируется после облучения ионами криптона. Радиационные дефекты на поверхности М^^СЬ практически на пределе разрешения ЛСМ регистрировались при (с1Е/ёх)|0п = 15,5 кэВ/нм. Изменений рельефа поверхности образцов которые можно было бы ассоциировать с воздействием высокоэнергетических ионов криптона или висмута в проведенных экспериментах не обнаружено.

Пороговый характер и зависимость геометрических параметров наблюдаемых повреждений от энергии ионов (см. рис. 1а, б, в) позволяют однозначно связать образование радиационных дефектов на поверхности монокристаллов сапфира с неупругими потерями энергии ионов висмута. Как следует из таблицы 1, плотность ионизации падает с уменьшением энергии ионов, в то время как удельные потери на упругое рассеяние возрастают. Таким образом, величину (<1ЕЛ1х)|оп = 25,4 кэВ/нм можно рассматривать как верхнюю границу пороговой плотности ионизации, необходимой для возникновения дефектов. Аналогичное значение для кристаллов полученное по результатам облучения ионами Кг с энергией 245 МэВ, составляет 15,8 кэВ/нм.

Поскольку вместе со снижением уровня ионизации уменьшается и средний заряд ионов, <7Р-, (см. таб. 1), при анализе возможных причин образования хиллоков во внимание должны приниматься и процессы, связанные с нейтрализацией заряда в приповерхностном слое мишени. В то же время, в проведенных экспериментах радиационные дефекты не были зарегистрированы после бомбардировки ионами Кг+27 и Хе"11, имеющих больший заряд, чем ионы висмута с энергией 292 и 128 МэВ. Отсутствие хиллоков на поверхности сапфира, облученного ионами объясняется так называемым "эффектом скорости", согласно которому одни и те же структурные нарушения, например, латентные треки, при одинаковых значениях регистрируются для ионов, имеющих меньшую скорость, Следовательно, принимая во внимание возможную зависимость от можно сделать вывод, что наблюдаемый эффект определяется, главным образом, потерями энергии ионов на ионизацию.

Зависимость параметров дефектов от уровня ионизационных потерь энергии подробно рассматривается на примере изменения распределения хиллоков по высоте. Обнаружено, что среднее значение высоты изменяется от при снижении Средний диаметр хиллоков на поверхности сапфира, полученный для исходной энергии ионов висмута 710 МэВ, составляет на полувысоте

а)

Рис. 1. АСМ-изображения поверхности сапфира, облученного ионами Ш при 300 К в зависимости от уровня ионизационных потерь энергии вблизи поверхности кристалла: (а) - 36 кэВ/нм, (б) - 25,4 кэВ/нм и необлучен-ного (в). Флюенс ионов 2x1010 см"2.

Вариация других экспериментальных условий - ионного флюенса, температуры мишеней в процессе облучения, угла падения ионного пучка и степени разупорядочения кристаллической решетки в исходных образцах, позволила получить следующие данные:

1. Дефекты на поверхности начинают перекрываться при флюенсе ~1х10" см"2, причем высота перекрывающихся хиллоков возрастает примерно вдвое, как следует из топографических снимков и профилей сечения, приведенных на рис. За-е. При 1x1012 см'2 все хиллоки уже полностью перекрываются, образуя на поверхности сплошной разупорядоченный слой с повышенной нерегулярностью рельефа (рис. Зе).

2. Радиационные дефекты в виде конических хиллоков на поверхности монокристаллов А^Оз, облученных ионами висмута с энергией 710 МэВ, регистрируются независимо от температуры мишеней в интервале 80 + 300 К, т.е. в условиях, когда коэффициент теплопроводности изменяется от ~ 1000 Вт/м К до ~ 30 Вт/м К. При этом средняя высота хил-локов составляет нм для по сравнению с

300 к.

3. Не обнаружены существенные различия геометрических параметров хиллоков, детектируемых на образцах сапфира последовательно облученных ионами гелия (17 кэВ) до

уровня повреждений ~ l-í-5x10"2 смещений на атом и висмута (710 МэВ, 2*1010 см'2) по сравнению с неимплантированным материалом.

4. Зависимость формы хиллоков от угла падения ионов проявляется только при значительном отклонении от нормали к поверхности образца, более чем на 60 градусов. Эффект заключается в увеличении размера хиллока у основания вдоль направления движения иона, т.е. в изменении формы основания от окружности, при нормальном падении пучка, к эллипсу. По данным серии АСМ-изображений, средняя длина хиллоков у основания составляет 27,8 ± 5 нм, ширина 17,6±5 нм, что дает отношение длины к ширине При этом форма хиллока становится несимметричной, затянутой к точке входа иона в мишень (рис. 4). В тоже время, высота хиллоков практически не изменяется. В пределах точности измерений наблюдается даже некоторое увеличение средней высоты по сравнению с перпендикулярным облучением.

Корреляция структурных нарушений, регистрируемых на поверхности и в объеме облучаемых кристаллов, обсуждается во второй части главы 3. Электронно-микроскопические исследования в планарной геометрии, проведенные на образце сапфира, облученного ионами Bi с энергией 710 МэВ до флюенса 7*1012 см"2, показали, что регистрируемые дефекты в объеме представляют собой разупорядоченные области диаметром порядка 4 нм. Микродифракционные изображения этой области свидетельствуют, что она сохраняет кристаллическую структуру исходного материала (рис. 5а, б). Следовательно, формирование наблюдаемых нами дефектов на поверхности не связано с переходом кристаллическая - аморфная фаза в области ионного трека. Другим важным результатом этих экспериментов, является наблюдение в приповерхностном слое монокристалла сапфира зерен размером около 200 нм, образование которых, является следствием релаксации механических напряжений вокруг отдельных ионных траекторий, поскольку при флюенсе 7Х1012 См"2 разупорядоченные области еще не перекрываются (см. рис. 5а).

В заключительной части главы обсуждаются возможные механизмы формирования наноразмерных дефектов на поверхности монокристаллов с учетом полу-

ченных экспериментальных данных. Принимая во внимание, что следствием диссипации ионизационных потерь энергии является, прежде всего, локальный нагрев решетки, были сделаны оценки температуры в области траектории ионов висмута в сапфире в рамках известных теоретических моделей. Проведенные расчеты показывают, что температура в области, ограниченной радиусом 2 нм, что соответствует размеру разупорядоченной области по данным ПЭМ, превосходит температуру плавления и даже температуру испарения. Такой значительный нагрев даже в отсутствие фазового перехода может быть

Рис. 3. АСМ-изображения и профили сечения по указанным линиям поверхности сапфира, облученного ионами висмута с флюенсами 2*10"' (а, г), 1ХЮ" (б, д) и 1 *1012 см*2 (в, е).

Рис. 4. АСМ-изображения хиллоков на поверхности сапфира, образованных в результате облучения ионами висмута при углах падения 0° (а, в) и 75° (б, г) к нормали Направление входа ионов указано стрелками

Рис. 5. Электронно-микроскопическое изображение структуры кристалла сапфира, облученного ионами В1 с энергией 710 МэВ до флюенса 7*10'2 см"г и дифракционная картина трековой области (в углу)

источником структурных нарушений, как в объеме, так и на поверхности облучаемых мишеней. В тоже время, экспериментальные данные по пороговым значениям плотности ионизации для разных оксидов не позволяют сделать вывод об определяющей роли локального разогрева в образовании дефектов на поверхности. Как установлено, хиллоки регистрируются на монокристалле N^0, имеющем более высокую, чем у сапфира температуру плавления (3245 К) при значительно меньших ионизационных потерях энергии. Генерация импульса напряжений, результатом действия которого является пластическая деформация в месте входа иона в мишень, возможна, при быстром разогреве и охлаждении вещества в объеме, окружающем траекторию иона. Приведенный расчет формы и величины импульса термоупругих напряжений, показывает, что их амплитуда в области трека значительно превосходит предел прочности сапфира. Так, максимальная величина радиальных напряжений при величине ионизационных потерь энергии 35 кэВ/нм даже на расстоянии несколько десятков нанометров от оси трека превышает макроскопический предел прочности сапфира более чем на порядок. Очевидно, что при рассмотрении напряжений такого уровня использовавшиеся в расчетах линейные уравнения применимы только для грубой оценки, однако данный результат позволяет сделать вывод, что импульс термоупругих напряжений способен вызвать значительные структурные нарушения.

Изменение профиля поверхности может быть также обусловлена действием в области трека ударной волны, являющейся следствием нелинейных процессов теплопереноса. Одним уз характерных признаков вклада механизма ударной волны в образование дефектов на поверхности является выброс материала в направлении распространения фронта волны, наблюдаемый при облучении под углом. Этот эффект приводит к образованию асимметричных дефектов поверхности, имеющих специфическую форму со стороны входа иона. В нашем случае наблюдаемые при облучении под углом дефекты не имеют подобных морфологических особенностей, что говорит о том, что их формирование происходит за счет других механизмов.

Экспериментально установленным результатом проведенных экспериментов является высокий уровень статических механических напряжений, вызванных радиационными дефектами в локальном объеме, окружающем ионную траекторию. Уменьшение плотности этого объема по сравнению с плотностью исходного монокристалла даже в отсутствие фазового перехода может привести к вытеснению материала на поверхность и образования хиллоков. Формирование дефектов в приповерхностном слое может быть вызвано также действием ионно-взрывного пика, или "кулоновского взрыва", так как квазинейтральность трековой области может быть нарушена на границах облучаемого

вещества (в местах входа и выхода иона) за счет того, что горячие электроны покидают поверхность кристалла. Предположение о том, что локальная деформация на поверхности кристаллов обусловлена электростатическими силами, действующими на ионы поверхностного слоя возбужденной области, согласуется с экспериментальными данными. "Куло-новский взрыв" в приповерхностной области позволяет объяснить независимость параметров хиллоков от температуры облучения и предварительно созданной дефектной структуры. При облучении под углом возбужденная область на поверхности имеет эллиптическую форму, поэтому можно ожидать формирования вытянутых хиллоков, симметричных относительно точки входа иона в мишень, что подтверждается результатами АСМ-измерений.

Полученные данные свидетельствуют, что пороговая плотность ионизации, начиная с которой происходит образование хиллоков на поверхности, коррелирует со степенью ионности в межатомном взаимодействии монокристаллов оксидов. Известно, что наибольшей структурной чувствительностью к нарушению зарядового баланса при радиационном воздействии среди диэлектриков обладают ЩГК, у которых этот параметр может составлять 0,92-0,94. Так, для образования точечных дефектов в LÍF достаточно потерь энергии в несколько эВ, т.е. ионизации электронов внешних оболочек атомов. Исходя из этого, можно предположить, что в кристаллах с более высокой степенью ионности механизм кулоновского взрыва должен вносить больший вклад в образование структурных дефектов. Согласно нашим экспериментальным результатам, наименьшей пороговой плотностью ионизации обладает доля ионной связи у

которого составляет пороговая плотность иони-

зации выше хиллоки

не регистрируются даже при 34 кэВ/нм. Исходя из этих данных, можно сделать предположение, что чем выше доля ионной связи кристалла, тем меньше плотность ионизации, необходимая для формирования наблюдаемых нами дефектов на поверхности. Таким образом, динамические процессы релаксации напряжений в приповерхностном слое за счет радиационных повреждений, образованных по механизму кулоновского взрыва, также являются вероятным механизмом формирования наноразмерных дефектов на поверхности монокристаллов

Цитируемая литература.

1. Ramos, S. M. M., Bonardi, N., Canut, В., Bouffard, S., Della-Negra, S., "Damage creation in a- AI203 by MeV fullerene impacts" // Nucl. Instrum. Methods, 1998, B143, pp. 319-332.

2. G. Hayderer, S. Cernusca, M. Schmid, P. Varga, HP. Wjnter, F. Aumayr, D. Niemann, V.

Hoffmann, N. Stolterfoht, C. Lemell, L. Wirtz, J. Burgdörfer, "Kinetically Assisted Potential Sputtering of Insulators by Highly Charged Ions" // Phys. Rev. Let., 2001, v. 86, N 16, pp. 3530-3533.

3. S.J. Zinkle, J.W. Jones, V.A. Skuratov. "Microstructure of swift heavy ion irradiated SiC, SÍ3N4 and AIN" // Microstructural Processes in Irradiated Materials. Eds. G.E. Lucas, L. Snead, M.A. Kirk, Jr., R.G. Elliman. MRS Symp. Proc., 2001. v. 650, R3.19.1- R3.19.6.

Основные результаты и выводы

I. Впервые методами АСМ проведено исследование поверхности монокристаллов и облученной ионами с энергиями в интервале МэВ/а.е.м.. Установлено, что результатом воздействия единичных ионов является образование на поверхности оксидов магния и алюминия и шпинели наноразмерных структурных дефектов в виде конических хиллоков, геометрические размеры которых зависят от уровня удельных ионизационных потерь энергии тяжелых ионов. Изменений рельефа поверхности образцов которые можно было бы ассоциировать с воздействием высокоэнергетических ионов криптона или висмута в проведенных экспериментах не обнаружено.

II. Определены верхние границы значений плотности ионизации в приповерхностном слое образцов, начиная с которых регистрируются радиационно-стимулированные изменения в профиле поверхности данных кристаллов. Эти пороговые значения составляют 25,4 кэВ/нм для сапфира, 15,8 кэВ/нм для оксида магния и 15,5 кэВ/нм для шпинели.

III. Установлено, что геометрические параметры хиллоков на поверхности монокристаллов облученных ионами висмута с энергией 710 МэВ не зависят от температуры мишеней в интервале К и уровня радиационных повреждений исходных образцов (до смещений на атом). Показано, что зависимость формы хиллоков от угла падения ионов проявляется только при значительном отклонении от нормали к поверхности образца, более чем на 60 градусов.

IV. Впервые по результатам электронно-микроскопических исследований микроструктуры образцов монокристаллов облученного ионами висмута с энергией 710 МэВ обнаружено, что разупорядоченные области вокруг ионных траекторий сохраняют кристаллическую структуру при Таким образом, установлено, что образование наноразмерных радиационных дефектов на поверхности не

связано с процессом перехода кристаллической фазы в аморфную в треках высокоэнергетических ионов в объеме кристалла. V. Рассмотрены вероятные механизмы формирования наноразмерных структур в виде хиллоков на поверхности AI2O3 и MgO. Показано, что пороговая плотность ионизации, начиная с которой происходит образование хиллоков на поверхности, коррелирует со степенью ионности в межатомном взаимодействии монокристаллов оксидов. Предполагается, что механические напряжения, следствием которых является деформация материала в месте входа иона в мишень, обусловлены увеличением локального объема в приповерхностной области за счет радиационных дефектов, образованных по механизму кулоновского взрыва.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. P. Markiewicz, S.R. Cohen, А.Е. Efimov, A.A.Bukharaev, D.V. Ovchinnikov. "SPM Tip Visualization Through Deconvolution Using Various Characterizers: Optimization of the protocol for obtaining true surface topography from experimentally acquired images" // Probe Microscopy, 1999, vol. 1, p. 355-364.

2. V.A.Skuratov, D.L.Zagorski, A.E.Efimov, V.A.Kluev, Yu.P.Toporov, B.V.Mchedlishvili. "Swift heavy ion irradiation effect on the surface of sapphire single crystals" // Radiation Measurements, 2001, vol. 34/1-6, p. 571-576.

3. B.A. Скуратов, А.Е. Ефимов, Д.Л.Загорский. "Модификация поверхности AI2O3 высо-

коэнергетическими ионами висмута" // Физика Твердого Тела, 2002, т. 44, вып. 1, с. 165-169.

4. V.A.Skuratov, P.Nagy, A.E.Efimov, K.Havancsak. "Surface response of AI2O3 single crystals

on hundred MeV heavy ion irradiation" // Abstracts of EuNITT Workshop on Ion Track Technology, February 25-26,2002 Caen, France, p. 24.

5. V.A.Skuratov, S.J. Zinkle, A.E.Efimov, K.Havancsak. "Swift heavy ion-induced modifica-

tion of AI2O3 and MgO surfaces"//Nucl. Instr. Meth., 2003, B203, p. 136-140.

6. В.А.Скуратов, А.Е.Ефимов, К.Хаванчак. "Наноразмерные дефекты на поверхности AI2O3 и MgO, вызванные тяжелыми ионами высоких энергий". Материалы IV международной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом", Минск, Беларусь, 6-9 октября 2003 г, с. 197-209.

7. V.A.Skuratov, S.J. Zinkle, A.E.Efimov, K.Havancsak. "Surface defects in AI2O3 and MgO

irradiated with high energy heavy ions" // Abstracts of 13th International Conference on Surface Modification of Materials by Ion Beams, September 21 -26,2003, San Antonio, Texas, USA, p. 55.

Получено 3 февраля 2004 г.

л 3 555

Макет Н. А. Киселевой

Подписано в печать 06.02.2004. Формат 60 х 90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,06. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 54294.

Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований 141980, г.Дубна, Московская обл., ул. Жолио-Кюри, 6. Е-таП: publish@pds.jinr.ru www.jinr.ru/publish/

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. РАДИАЦИОННЫЕ ДЕФЕКТЫ В ДИЭЛЕКТРИКАХ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ТЯЖЕЛЫМИ ЗАРЯЖЕННЫМИ ЧАСТИЦАМИ

ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

1.1.Основные характеристики первичных радиационных повреждений, создаваемых тяжелыми заряженными частицами.

1.2. Структурные эффекты ионизации в твердых телах.

1.2.1. Модель кулоновского взрыва.

1.2.2. Образование структурных нарушений в модели термического пика.

1.2.3. Радиационные повреждения в модели ударных волн.

1.3.Наноразмерные дефекты на поверхности материалов, вызываемые тяжелыми ионами высоких энергий.

1.4.Постановка задачи диссертационной работы.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Устройство облучения образцов высокоэнергетическими ионами на циклотроне У-400.

2.2 Метод атомно-силовой микроскопии в экспериментах по изучению изменения топографии поверхности твердых тел.

2.3 Методика подготовки образцов для облучения и послерадиационных исследований.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1 Изменение рельефа поверхности А1203 и MgO при различных условиях облучения.

3.1.1 Параметры дефектов на поверхности сапфира в зависимости от энергии и вида ионов.

3.1.2 Радиационные повреждения поверхности MgO и MgAl204 при облучении высокоэнергетическими ионами.

3.1.3 Зависимость формы дефектов на поверхности А1203 от угла падения ионов.

3.1.4 Влияние температуры мишени на параметры дефектов на поверхности сапфира.

3.1.5 Зависимость морфологии нарушений поверхности А120з от флюенса облучения.

3.1.6 Изменения рельефа поверхности кристаллов А1203 с существующей дефектной структурой.

3.1.7 Структурные нарушения в объеме А1203 при облучении ионами висмута.

3.2 Механизмы формирования наноразмерных дефектов на поверхности А12Оз и MgO.

3.2.1 Оценка температуры в области ионного трека в модели термического пика.

3.2.2 Влияние термоупругих напряжений и ударной волны в области ионного трека на формирование дефектов.

3.2.3 Формирование дефектов на поверхности в модели кулоновского взрыва.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Последние достижения техники атомно-силовой микроскопии (АСМ) позволили выделить в радиационной физике твердого тела новое направление, связанное с исследованием структурных нарушений поверхности, вызываемых воздействием единичных ионов высоких энергий (Е >. 1 МэВ/а.е.м.), и их связи с радиационными повреждениями в объеме материала. Эти работы представляют значительный интерес, поскольку характерный для подобного облучения высокий уровень удельных ионизационных потерь энергии, достигающий нескольких десятков кэВ/нм, может служить источником специфических структурных нарушений, не наблюдаемых при бомбардировке другими ядерными частицами. К таким эффектам относятся, прежде всего, структурно-фазовые превращения и формирование латентных треков в объеме, и образование наноразмерных дефектов на поверхности мишени. Несмотря на постоянно растущее число экспериментальных и теоретических работ, посвященных данной тематике, в настоящее время нет единого представления о микроскопических механизмах дефектообразования и эволюции дефектной структуры в твердых телах при такой высокой плотности ионизации.

К числу материалов, в которых эффекты ионизации практически не изучены, относятся монокристаллы и керамики оксидов, карбидов и нитридов, такие, как MgO, А120з, MgAl204, SiC, TiC, A1N, Si3N4, являющихся одними из наиболее радиационно-стойких диэлектриков. Исследования их структурного отклика на воздействие высокоэнергетического ионного облучения имеет большое практическое значение для моделирования эффектов, вызываемых осколками деления, т.е. атомами с массой от 80 до 155 а.е.м. и энергией около ста МэВ, в инертных разбавителях (матрицах) композитного ядерного топлива. Необходимо отметить, что процессы, происходящие в треках осколков деления, не могут быть смоделированы с использованием достаточно широко доступных пучков тяжелых ионов с энергиями в несколько МэВ, поскольку для получения корректных результатов необходимо учитывать эффекты высокой плотности ионизации. Это возможно только при использовании высокоэнергетического ионного облучения в широком интервале масс и энергий, позволяющих варьировать различные уровни ионизационных и ядерных потерь энергии для моделирования воздействия продуктов деления.

Создание и исследование свойств наноразмерных структур на поверхности на поверхности твердых тел с помощью тяжелых ионов высоких энергий представляет интерес также для решения задач нанотехнологии. Уменьшение размеров микроэлектронных элементов требует разработки новых методов формирования элементов с характерными размерами в десятки нанометров, и управляемое создание структурных радиационных дефектов является одним из перспективных направлений в данной области. Следует заметить, что на момент начала исследований, результаты которых представлены в настоящей работе, существовало весьма ограниченное число работ по исследованиям наноразмерных радиационных дефектов, создаваемых на поверхности высокоэнергетическими ионами. Для радиационно-стойких диэлектриков отдельные эксперименты проводились только с использованием пучков ионных кластеров.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. - экспериментальное исследование структурных нарушений поверхности монокристаллов А1203 и MgO, вызванных бомбардировкой тяжелыми ионами с энергиями в диапазоне 0,6-3,5 МэВ/а.е.м.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА: В ходе выполнения диссертационной работы были впервые рассмотрены и решены следующие задачи:

Впервые методами АСМ на поверхности монокристаллов А1203 и MgO исследованы закономерности формирования наноразмерных структурных дефектов, индуцированных высокоэнергетичными тяжелыми ионами, и определены пороговые значения плотности ионизации, начиная с которых наблюдаются изменения топографии поверхности данных кристаллов.

Установлено, что образование наноразмерных дефектов па поверхности происходит при плотности ионизации меньше порога образования латентных аморфных треков в объеме материала и не связано с процессами структурно-фазовых превращений (перехода кристаллической фазы в аморфную) в ионных треках.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Полученные в работе результаты могут быть использованы при решении задач физики радиационных повреждений, связанных с моделированием эффектов, вызываемых осколками деления в инертных разбавителях композитного ядерного топлива и других диэлектрических материалах, являющихся элементами конструкций ядерно-энергетических установок, а также при разработке технологий высокоэнергетической ионной имплантации.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты и отдельные положения диссертации докладывались на международной конференции "Nuclear Tracks in Solids", Portoroz, Slovenia, August 28 - September 1, 2000, «Scanning Probe Microscopy», международном совещании "Scanning Probe Microscopy -2001" Nizhny Novgorod, February 26 - March 1, 2001, XI международной конференции «Scanning Tunneling Microscopy», 2001, Toronto, Canada, международном совещании "EuNITT Workshop on Ion Track Technology", 25-26 February, 2002, Caen, France, XIV международном совещании «Inelastic Ion-Surface Collisions», Ameland, Netherlands, September 8-13, 2002, 13th International Conference on Surface Modification of Materials by Ion Beams, September 21 -26, 2003, San Antonio, Texas, USA, V международной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом", Минск, Беларусь, 6-9 октября 2003, семинарах Центра прикладной физики Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ.

ПУБЛИКАЦИИ: Основные результаты диссертации изложены в 4 статьях в научных журналах и 2 докладах в сборниках материалов совещаний и конференций.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ: Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации - 107 страниц машинописного текста, включая 30 рисунков, 3 таблицы и библиографический список из 98 наименований.

Основные результаты настоящей диссертационной работы состоят в следующем:

I. Впервые методами АСМ проведено исследование поверхности монокристаллов А1203 и MgO, MgAl204, SiC, облученной ионами Bi и Кг с энергиями в интервале 0,6-КЗ,5 МэВ/а.е.м. Установлено, что результатом воздействия единичных ионов является образование на поверхности оксидов магния и алюминия и шпинели наноразмерных структурных дефектов в виде конических хиллоков, геометрические размеры которых зависят от уровня удельных ионизационных потерь энергии тяжелых ионов. Изменения рельефа поверхности образцов SiC, которые можно было бы ассоциировать с воздействием высокоэнергетических ионов криптона или висмута в проведенных экспериментах не обнаружены. И. Определены верхние границы значений плотности ионизации в приповерхностном слое образцов, начиная с которых регистрируются радиационно-стимулированные изменения в профиле поверхности данных кристаллов. Эти пороговые значения составляют 25,4 кэВ/нм для сапфира, 15,8 кэВ/нм для оксида магния и 15,5 кэВ/нм для шпинели. 111. Вариация экспериментальных условий - температуры мишеней в процессе облучения, угла падения ионного пучка и степени разупорядочения кристаллической решетки в исходных образцах, позволила получить следующие данные:

1. Радиационные дефекты в на поверхности монокристаллов А1203, облученных ионами висмута с энергией 710 МэВ, регистрируются независимо от температуры мишеней в интервале 80 -ь 300 К, т.е. в условиях, когда коэффициент теплопроводности изменяется от ~ 1000 Вт/м К до ~ 30 Вт/м К.

2. Не обнаружены существенные различия в геометрических параметров хиллоков, детектируемых на образцах сапфира последовательно облученных ионами гелия (17 кэВ) до уровня повреждений ~ 1-^5*10"2 смещений на атом и висмута (710 МэВ, 2хЮ10 ионов/см2) по сравнению с неимплантированным материалом.

3. Перекрытие дефектов па поверхности наблюдается, начиная с флюенса

11 2

1x10 ион/см, причем высота перекрывающихся хиллоков возрастает примерно вдвое. При флюенсе, большем 1хЮ12 ион/см2 все хиллоки уже полностью перекрываются, образуя на поверхности сплошной разупорядоченный слой с повышенной нерегулярностью рельефа.

4. Зависимость формы хиллоков от угла падения ионов проявляется только при значительном отклонении от нормали к поверхности образца, более чем на 60 градусов.

IV.Впервые по результатам электронно-микроскопических исследований микроструктуры образцов монокристаллов А1203, облученного ионами висмута с энергией 710 МэВ обнаружено, что разупорядоченные области вокруг ионных траекторий сохраняют кристаллическую структуру при (dE/dx)10n <41 кэВ/нм. Таким образом, установлено, что образование наноразмерных радиационных дефектов на поверхности А1203 не связано с процессом перехода кристаллической фазы в аморфную в треках высокоэнергетйческих ионов в объеме кристалла.

V. Рассмотрены вероятные механизмы формирования наноразмерных структур в виде хиллоков на поверхности А1203 и MgO. Показано, что пороговая плотность ионизации, начиная с которой происходит образование хиллоков на поверхности, коррелирует со степенью ионности в межатомном взаимодействии монокристаллов оксидов. Предполагается, что механические напряжения, следствием которых является пластическая деформация материала в месте входа иона в мишень, обусловлены увеличением локального объема в приповерхностной области за счет радиационных дефектов, образованных по механизму кулоновского взрыва.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность научному руководителю, Скуратову Владимиру Алексеевичу, за постановку задачи и помощь в работе, руководству НТ МДТ и Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н.Флерова за возможность проведения исследований и постоянное внимание к работе, сотрудникам НТ МДТ и ЛЯР ОИЯИ Волкову А. Д. и Евплову Д. А, Иванову О.М, Шмаровозу В.Г. за помощь и поддержку при проведении экспериментов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Лейман К. Взаимодействие излучения с твердым телом и образованиеэлементарных дефектов -Атомиздат, Москва, 1979, 296 с.

2. Ziegler J.F., Biersak J.P., Littmark U. The Stopping and Range of Ions in Solids -Pergamon Press, New York, 1985.

3. Скуратов В.А. Вклад ядерных реакций в образование радиационных дефектов тяжелыми ионами В сб.: Конференция молодых ученых и специалистов Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ, 1986, Р13,15-86-413, Дубна, 1986, с.32-39.

4. Toulemonde М. Nanometric phase transformation of oxide materials under GeV energy heavy ion irradiation Nucl. Instr. Meth., 1999, В156, p. 1-11.

5. Митерев A. M. Теоретические представления о формировании и эволюции треков заряженных частиц. УФН, т. 172, №10 2002, с. 1131-1164.

6. Fleischer R. L., Price Р. В., Walker R. M. The Ion Explosion Spike Mechanism for formation of Charged Particle Tracks in Solids. -J. Appl. Phys., 1965, 36, p. 36453654.

7. Гангрский Ю. П., Марков Б. Н., Перелыгин В. П. Регистрация и спектрометрия осколков деления. М.: Энергоатомиздат, 1992, -312 с.

8. Флейшер Р. Л., Прайс П. Б., Уокер Р. М. Треки заряженных частиц в твердых телах. Принципы и приложения. В 3-х ч. Ч. 1. Методы исследования треков. -М.: Энергоатомиздат, 1981, -152 с.

9. Ritchic G. G., Claussen С. A core plasma model of charged particle track formation in insulators. Nucl. Instr. Meth., 1982, 198, p. 133-138.

10. Ю.Баранов И. А., Мартыненко Ю. В., Цепелевич С. О., Явлинский Ю. Н. Неупругое распыление твердых тел ионами УФН, 1988, т. 156, в. 3, с. 477-511.

11. Калиниченко А. И., Лазурик В. Т. Акустические импульсы, порождаемые осколками деления и быстрыми нейтронами в веществе. В сб.: Радиационная акустика, отв. ред. Л. М. Лямшев, М.:, Наука, 1987, с. 27-35.

12. Гегузин Я. Е., Каганов М. И., Лифшиц И. М., Влияние длины свободного пробега электронов на образование трека вокруг траектории заряженных частиц в металле ФТТ, 1973, т. 15, в. 8, с. 2425-2428.

13. Yavlinslcii Yu. N. Track formation in amorphous metals under swift heavy ion bombardment. Nucl. Instr. Meth. B, 1998, v. 146, p. 142-146.

14. Szenes G. General features of latent track formation in magnetic insulators irradiated with swift heavy ions. Phys. Rev. B, 1995, v. 51, p. 8026-8029.

15. Szenes G. Ion-velocity-dependent track formation in yttrium iron garnet: A thermal spike analysis. Phys. Rev. B, 1995, v. 52, p. 6154-6157.

16. Szenes G. Formation of columnar defects in high-Tc superconductors by swift heavy ions Phys. Rev. B, 1996, v. 54, pp 12458-12463

17. Szenes G. Amorphous tracks in insulators induced by monoatomic and cluster ions -Phys. Rev. B, 1999, v. 60, p. 3140-3147.

18. Szenes G. Analysis of tracks induced by cluster ions in CaF2. Phys. Rev. B, 2000, Vol.61, p. 14267-14270.

19. Szenes G., Paszti F., Peter A., Popov A. I. Tracks induced in Tc02 by heavy ions at low velocities. Nucl. Instr. Meth., 2000, В 166-167, p. 949-953

20. Szenes G. Formation of amorphous latent tracks in mica. Nucl. Instr. Meth., 1996, В 107, p.146-149.

21. Szenes G. Thermal spike model of amorphous track formation in insulators irradiated by swift heavy ions. Nucl. Instr. Meth., 1996, В 116, p. 141-144

22. Szenes G. Amorphous track formation in Si02. Nucl. Instr. Meth., 1997, В 122, p. 530-533.

23. Szenes G. The anisotropic growth in amorphous materials and the latent tracks formation induced by energetic ion bombardment. Nucl. Instr. Meth., 1996, В 107, pp.150-154.

24. Szenes G. Monoatomic and cluster ion irradiation induced amorphous tracks in yttrium iron garnet. Nucl. Instr. Meth., 1998, В 146, p. 420-425.

25. Szenes G. Information provided by thermal spike analysis on the microscopic processes of track formation. Nucl. Instr. Meth., 2002, В 191, p. 54-58.

26. Szenes G. Mixing of nuclear and electronic stopping powers in the formation of surface tracks on mica by fullerene impact. Nucl. Instr. Meth., 2002, В 191, p. 2731.

27. Toulemonde M., Dufour Ch., Meftah A., Paumier E. Transient thermal processes in heavy ion irradiation of crystalline inorganic insulators. Nucl. Instr. Meth., 2000, B166-167, p. 903-912.

28. Metfah A., Brisard F., Constantini J. M., Dooryhee E., Hage -Ali M., Hervieu M., Stoquert J. P., Studer F., Toulemonde M. Track formation in SiC>2 quartz and the thermal spike mechanism Phys. Rev. B, 1994, v. 49, p. 12457-12463.

29. Toulemonde M., Paumier E., Dufour Ch. Thermal spike model in the electronic stopping power regime. Radiat. Eff., 1993, v. 56, p. 201-206.

30. Wang Z. G., Dufour Ch., Paumier E., Toulemonde M. The Se sensitivity of metals under swift-heavy-ion irradiation: a transient thermal process. J. Phys. Condens. Matter, 1994, v. 6, p. 6733-6750.

31. Metfah A., Djebara M., Stoquert J. P., Studer F., Toulemonde M. Electronic stopping power threshold of sputtering in yttrium iron garnet. Nucl. Instr. Meth, 1996, B107, p. 242-245.

32. Toulemonde M., Dufour Ch., Paumier E., Transient thermal process after a high-energy heavy-ion irradiation of amorphous metals and semiconductors. Phys. Rev. B, 1992, v. 46, No. 22, p. 14362-14369.

33. Явлинский IO. H. Релаксация электронного возбуждения в диэлектриках при облучении быстрыми многозарядными ионами. В сб.: Матер. 15-й Межд. конф. "Взаимодействие ионов с поверхностью", 2001, т. 1, с. 406-409.

34. Гольданский В. И., Ланцбург Е. Я., Ямпольский П. А. О гидродинамическом эффекте при прохождении осколков деления через конденсированное вещество. Письма в ЖЭТФ, 1975, т. 21, с. 365-366.

35. Vorobyova I. V. Three kinds of high-energy Pb ion tracks on the LiF crystal surface at grazing angles of incidence. Nucl. Instr. Meth., 2002, B198, p. 119-128.

36. Vorobyova I. V., Kopniczky J. Track formation on LiF single crystal surface induced by high-energy Xe ions. Nucl. Instr. Meth., 2003, В 211 p. 374-382.

37. Thompson D. A. High density cascade effects. Radiat. Eff., 1981, 56, p. 105-108.

38. Fast Transport of Fission Energy through Shock Waves.- ITU Activity Report 2001 (EUR20252), p. 10-11.

39. Aumayr F., Burgdorfer J., Hayderer G., Varga P., Winter H. P. Evidence against the "Coulomb Explosion" Model for Desorption from Insulator Surfaces by Slow Highly Charged Ions. Physica Scripta, 1999, v. T80, pp. 240-242.

40. Jollet F., Duraud J. P., Noguera C., Dooryhee E., Langevun Y. Surface modifications of crystalline Si02 and A1203 induced by energetic heavy ions. Nucl. Instr. Meth. B, 1990, 46, p. 125-126.

41. Canut В., Ramos S. M. M., Thevenard P., Moncoffre N., Benyagoub A., Marest G., Metfah A. High-energy heavy ion irradiation effects in a-Al203. Nucl. Nucl. Instr. Meth, 1993, В 80/81, p. 1114-1118.

42. Canut B, Benyagoub A, Marest G, Metfah A, Moncoffre N, Ramos S. M. M, Studer F, Thevenard P, Toulemonde M. Swift-uranium-ion-induced damage in sapphire. Phys. Rev. B, 1995, v. 51, N18, p. 12194.

43. Ramos S.M.M., Bonardi N, Canut B. Latent tracks in sapphire induced by 20-MeVfullerene beams. Phys. Rev. B, 1998, v. 57, N1, p. 189-193.

44. Ramos S. M. M, Bonardi N, Canut B, Bouffard S, Della-Negra S. Damage creation in a- A1203 by MeV fullerene impacts. Nucl. Instr. Meth, 1998, B143, p. 319-332.

45. Muller A, Neumann R, Swartz K, Trautmann C. Scanning probe microscopy of heavy-ion tracks in lithium fluoride. Nucl. Instr. Meth, 1998, B146, p. 393-398.

46. Trautmann C, Swartz K, Constantini J. M, Steckenreiter T, Toulemonde M. Radiation effects in lithium fluoride induced by heavy ions. Nucl. Instr. Meth, 1998, B146, p. 367-378.

47. Swartz K, Trautmann C, Steckenreiter T, Geiss O, Kramer M. Damage and track morphology in LiF crystals irradiated by GeV ions. Phys. Rev. B, 1998, v. 58, No. 17, p. 11232-11240.

48. Schwartz К., Trautmann С., Neumann R. Electronic excitations and heavy-ion-induced processes in ionic crystals. Nucl. Instr. Meth., 2003, B209, p. 73-84.

49. Thevenard P., Dupin J. P., Vu Thien Binh, Purcell S. Т., Semet V., Guillot D. Electron emission devices formed by energetic cluster impacts on ТЮ2 rutile. -Nucl. Instr. Meth., 2000, В166-167, p. 788-792.

50. Colin J., Lesueur D., Grilhe J. Free-surface deformation of irradiated solids -Philosophical Magazine A, 2001, v. 81, No. 4, p. 857-866.

51. Girard J.C., Michel A., Tromas C., Jaouen C., Della-Negra S. Track formation in amorphous Fe0 55Zro45 alloys irradiated by MeV Сбо ions: influence of intrinsic stress on induced surface deformations. Nucl. Instr. Meth., 2003, В 209, p. 85-92.

52. Акиньшин Д.В., Дидык А.Ю., Скуратов B.A. Люминесценция кристаллов под действием тяжелых ионов с энергией 1 МэВ/а.е.м. Краткие сообщения ОИЯИ N 906, Дубна, 1989, с. 48-55.

53. Bining G., Rohrer H. Scanning Tunneling Microscope. US Patent 4,343,993 Aug. 10, 1982. Filed: Sep. 12, 1980.

54. Binnig G., Quate C.F., Gerber Ch. Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett., 1986, 56 (9), p. 930-933.

55. Ducker W.A., Cook R.F., Clarke D.R. Force measurement using an AC atomic force microscope. J. Appl. Phys., 1990, 67 (9), c. 4045-4052.

56. Ueyama H., Ohta M., Sugawara Y., Morita S. Atomically resolved InP(l 10) surface observed with noncontact ultrahigh vacuum atomic force microscope. -Jpn. J. Appl. Phys. 1995, v. 34, p. 1086-1088.

57. Griffith J.E., Grigg D.A. Dimensional metrology with scanning probe microscopes/ J. Appl. Phys., 1993, 74, R83-R109.

58. Markiewicz P., Goh M.C. Atomic force microscopy probe tip visualization and improvement of images using a simple deconvolution procedure. Langmuir, 1994, v. 10, p. 5-7.

59. Williams P.M., Shakesheff K.M., Davies M.C., Jackson D.E., Roberts C.J., Tendler S.J.B. Blind Reconstruction of scanning probe image data. J. Vac. Sci. Technol. B, 1996, v. 15, p. 1557-1562.

60. Xu S., Arnsdorf M.F. Calibration of the scanning (atomic) force microscope with gold particles/ J. Microsc., 1994, v. 173, p. 199-210.

61. Villarrubia J.S. Algorithms for scanned probe microscope image simulation, surface reconstruction, and tip estimation. J. Res. Natl. Inst. Stand. & Technol., 1997, 102(4), p. 425-453.

62. Skuratov V. A., Zagorski D. L., Efimov A. E., ICluev V. A., Toporov Yu. P., Mchedlishvili В. V. Swift heavy ion irradiation effect on the surface of sapphire single crystals. Radiation Measurements, 2001, v. 34/1-6, p. 571-576.

63. Скуратов В. А., Ефимов A.E., Загорский Д.Л. Модификация поверхности А1203 высокоэнергетическими ионами висмута. ФТТ, 2002, т. 44, вып. 1, с. 165-169.

64. Skuratov V.A., Nagy P., Efimov A.E., Havancsak К. Surface response of A1203 single crystals on hundred MeV heavy ion irradiation. Abstracts of EuNITT Workshop on Ion Track Technology, Feb. 25-26, 2002 Caen, France, p. 24.

65. Skuratov V.A., Zinkle S.J., Efimov A.E., Havancsak K. Swift heavy ion-induced modification of A1203 and MgO surfaces. Nucl. Instr. Meth. 2003, В 203, p. 136140.

66. Thibaudau F., Cousty J., Balanzat E., Bouffard S. Atomic-force-microscopy observations of tracks induced by swift Kr ions in mica. Phys. Rev. Lett., 1991, 67, p. 1582.

67. Ackermann J., Angert N., Neumann R., Trautmann C., Dischner M., Hagen Т., Sedlacek M. Ion track diameters in mica studied with scanning force microscopy -Nucl. Instr. Meth., 1996, В 107, p. 181 184.

68. Muller C., Granney M., El-Said A., Ishikawa N., Iwase A., Lang M., Neumann R. Ion tracks on LiF2 and CaF2 single crystals characterized by scanning force microscopy .-Nucl. Instr. Meth., 2002, В 191, p. 246 250.

69. Dobeli M., Ames F., Musil C. R., Scandella L., Suter M., Synal H. A. Surface tracks by MeV C6o impacts on mica and PMMA. Nucl. Instr. Meth., 1998, В 143, p. 503 -512.

70. Khalfaoui N., Rotam C.C., Bouffard S., Jacquet E., Lebius H., Toulemonde M. Study of swift heavy ion tracks on crystalline quartz surfaces. Nucl. Instr. Meth. , 2003, В 209, p. 165-169.

71. Itoh N., Stoneham A. M. Excitonic model of track registration of energetic heavy ions in insulators. Nucl. Instr. Meth., 1998, B146, p. 362-366.

72. Zinkle S. J., Skuratov V. A. Track formation and dislocation loop interaction in spinel irradiated with swift heavy ions. Nucl. Instr. Meth., 1998, В 141, p.737-746.

73. Caulfield K.J., Cooper R., and Boas J. F. Threshold for displacement defect production in electron-irradiated alumina. J. Nucl. Mater. 184, 1991, p. 150-151.

74. Caulfield K. J., Cooper R., Boas J. F. Luminescence from electron-irradiated sapphire. Phys. Rev. B, 1993, v. 47, p. 55-61

75. EerNisse E.P., Picraux S.T., Role of integrated lateral stress in surface deformation of He-implanted surfaces.- J. Appl. Phys., 1977, N1, v. 48, p. 10-17.

76. Волков A.A., Калин Б.А., Конопленко В.П. Напряженное состояние в поверхностном слое материала, облученного ионами гелия.- Поверхность. Физика, химия, механика. 1986, т.1, с. 112-116.

77. EerNisse E. P., Compaction of ion-implanted fused silica.- J. Appl. Phys., 1974, N1., v. 45, p. 167-174.

78. Arnold G.W., Kreft G.B., and Norris C.B. Atomic displacement and ionization effects on the optical absorption and structural properties of ion-implanted AI2O3.-Appl. Phys. Lett., 1974, v. 25, p. 540-542

79. Рубин и сапфир,, отв. ред. Беляев JI. М. М.: Наука, 1974, - 236 с.

80. Zinkle S.J., Skuratov V.A., Hoelzer D.T. On the conflicting roles of ionizing radiation in ceramics. Nucl. Instr. Meth. 2002, В 191,1-4, p. 758-766.

81. Wang Z. G., Dufour Ch., Cabeau В., Dural J., Fuchs G., Paumier E., Pawlak F., Toulemonde M.,Velocity effect on the damage creation in metals in electronic stopping power regime. Nucl. Instr. Meth. 1996, В 107, p. 175-180.

82. Metfah A., Brisard F., Constantini J. M., Hage-Ali M., Stoquert J. P., Studer F., Toulemonde M. Swift heavy ions in magnetic insulators: A damage-cross-section velocity effect. Phys. Rev. B, 1993, v. 48, No. 2, p. 920-925.

83. Dufour C., Stoquert J. P., Toulemonde M. A code for transient thermal processes in insulators. Abstracts of EuNITT Workshop on Ion Track Technology, February 2526, 2002 Caen, France, p. 46.

84. Yavlinskii Yu. N. Electron exitation in wide-gap single crystal insulators under swift heavy-ion irradiation.- Nucl. Instr. Meth., 2000, B166-167, p. 35-39.

85. Valbis J., Itoh N. Electronic excitations, luminescence and lattice defect formation in a-Al203 crystals. Radiat. Eff., 1991, v. 166, p. 171-189.

86. Itoh N. Self-trapped exciton model of heavy ion track registration.- Nucl. Instr. Meth., 1996, BI 16, p. 33-36.

87. Kambara Т., Kageyama K., Kanai Y., Kojima T.M., Nanai Y., Yoneda A., Yamazaki Y. Elastic wave from fast heavy ion irradiation in solids. Nucl. Instr. Meth., 2002, В 193, p.371-375.

88. Kambara Т., Kanai Y., Kojima T.M., Nakai Y., Yoneda A., Kageyama K., Yamazaki Y. Acoustic emission from fast heavy ion irradiation in solids Nucl. Instr. Meth., 2002, В 164-165, p. 415-419.

89. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978, 792 с.

90. Ботаки А.А., Воробьев А.А., Ульянов B.JL- Радиационная физика ионных кристаллов. М., Атомиздат, 1980,- 207 с.