Самоорганизация трехмерных дефектно-деформационных мезоструктур при лазерном облучении твердых тел тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. Ломоносова

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

?Г6 ОД

На правах рукописи

1 г СЕН

ПАНИН ИВАН МИХАЙЛОВИЧ

УДК 621.315.592

САМООРГАНИЗАЦИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ДЕФЕКТНО-ДЕФОРМАЦИОННЫХ МЕЗОСТРУКТУР ПРИ ЛАЗЕРНОМ ОБЛУЧЕНИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Специальность 01.04.21 - Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА -1998

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. ■ ■•

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор В.И. Емельянов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор П.К. Кашкаров

кандидат физико-математических наук В.Н. Семиногов

Ведущая организация: Институт Общей Физики Российской

Академии Наук

Защита состоится 1998 года в /<£^С0 в

конференц-зале им, С.А. Ахманова Корпуса нелинейной оптики на заседании Диссертационного совета К053.05.21 при МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, физический факультет, корпус нелинейной оптики.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан " 0 " С&МльЛС^ Л991

Ученый секретарь Диссертационного совета К.053.05.21

при МГУ им.М.В.Ломоносова, кандидат физико-математических наук, доцент

М.С. Полякова

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Изучение структурных трансформаций и результирующей модификации свойств твердых тел под действием внешних потоков энергии (лазерного излучения и пучков частиц) является одной из актуальных задач современной физики. Исследования в этой области стимулируется развитием микроэлектроники, а также потребностями промышленности в материалах с новыми, заранее заданными свойствами. Результаты этих исследований важны также для прикладных проблем лучевой стойкости материалов и деградации оптоэлектронных приборов в процессе эксплуатации и под действием лазерного излучения.

Особый интерес представляет детальное изучение процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом и модифицированных этим взаимодействием свойств поверхности материалов с целью разработки методов их направленной модификации.

Лазерное облучение материала является одним из эффективных способов модификации свойств поверхности твердых тел. Открытие импульсного лазерного отжига аморфных полупроводников явилось в свое время стимулом к активным исследованиям в этой области. К настоящему времени достигнут значительный прогресс в изучении физики лазерного воздействия на поверхность и накоплен обширный экспериментальный материал по структурным и морфологическим модификациям, происходящим при лазерном воздействии.

Изучение процессов лазерного воздействия на поверхность привело к обнаружению и интенсивному исследованию многочисленных новых лазерно-иидуцированных эффектов, связанных со структурной перестройкой материала. К ним относятся, в частности: генерация точечных дефектов, неоднородное плавление полупроводников, образование когерентных и некогерентных поверхностных периодических структур на поверхности и в пленках, а также образование протяженных дефектов (пор или дислокационных петель) в приповерхностном слое облучаемого полупроводника.

Лазерно-индуцированная структурная перестройка материала происходит на трех масштабах: микроскопическом, мезоскопическом и макроскопическом. Микроскопическая перестройка кристаллической структуры происходит на масштабах межатомных расстояний - 8 —7 1

(10 -10 см) при генерации точечных дефектов: вакансий и междоузлий.' На мезоскопическом уровне структурная перестройка обусловлена пороговой самоорганизацией точечных дефектов с

образованием локализованных и периодических структур с размерам)

КГ 7 - 10 6 см. На макроскопическом уровне лазерно-индуцированна модификация материала может происходить благодаря образовании структур дефектов на поверхности, характерный масштаб которы: определяется толщиной приповерхностного дефектно-обогащенного ело

(-10 4 ем).

Лазерно-индуцированная генерация точечных дефектов може происходить в двух режимах - твердофазном, при многоимпульсно? облучении до порога плавления и жидкофазном - при одноимпульснот облучении после превышении порога плавления. При этом концентраци дефектов может достигать очень больших значений порядк

1 П о 1

см (до 10% от числа атомов в кристалле), что приводит появлению коллективных эффектов в системе взаимодействующи дефектов.

Примером таких эффектов является образование крупномасштабны (с периодом ~ 1 мкм) периодических структур дефектов приповерхностном слое облучаемого полупроводника.

Для описания целого ряда практически важных эффектов, таких ка лазерно-индуцированная аморфизация полупроводников и образование них протяженных дефектов, образование нанометровых периодически решеток протяженных дефектов в диэлектрических оптических материала и металлах при их облучении нейтронными пучками, образовани нанометровых уединенных и периодических слоевых и стержневы скоплений междоузлий при облучении кремния электронными пучками других представляет интерес развитие теории образования периодически и локализованных дефектно-деформационных (ДД) мезоструктур

_7 _^

характерным размером 10 —10 см. Для этой цели в диссертации используется механизм ДД-неустойчивости, физическая суть которо! сводится к следующему.

При больших концентрациях точечных дефектов дефектна подсистема описывается полем концентрации дефектов Дефекты

будучи упругими включениями, деформируют упругий континуум возникает поле деформации £(/",?) = сНун(г,/) , где и(г,1) - вёкто смещения среды. В свою очередь деформация упругого континуум приводит к появлению деформационно-индуцированных потоков дефекто и (или) к модуляции скорости их образования за счет перенормировк: энергии образования дефекта. Эта связь поля концентрации дефекто пл(г,/) и поля деформации £,{г,() следует из выражения для плотност.

энергии дефектно-деформационного взаимодействия, которое для

изотропной среды или кристалла с кубической симметрией дается формулой:

• иа = -оапа^ 0)

где Ос{ = К12с{- деформационный потенциал, К - модуль всестороннего

сжатия, £2 ц = а - изменение объема кристалла при образовании

дефекта, где а - параметр ячейки, sign(d) - 1 для междоузлий и = -1

для вакансий. Концентрация дефектов представляется в виде:

пс/(г,1) = пыо + псП(г,1) (2)

где «^о, - соответственно пространственно-однородная и

пространственно неоднородные части концентрация дефектов.

Система, состоящая из двух взаимодействующих друг с другом дефектно-деформационных полей, внутренне неустойчива по отношению к переходу в пространственно-неоднородное состояние, характеризующееся функцией . Впервые на это обстоятельство было указано более

пятидесяти лет назад в работе [1].

В работе [2] было показано, что возникающая в результате дефектно-деформационного взаимодействия (1) положительная обратная связь приводит при превышении пространственно-однородной концентрации дефектов (контрольный параметр) определенного критического

значения к развитию ДД-неустойчивости с образованием стационарной периодической дефектно-деформационной сверхрешетки с нанометровым периодом.

Настоящая диссертация посвящена построению детальной теории самоорганизации ДД-мезоструктур на основе механизма ДД-пеустойчивости [1,2].

Для апробации данной теории в диссертации используются экспериментальные результаты по образованию мезоструктур, полученные <ак при импульсном лазерном воздействии, так и при других типах пучкового воздействия на материал. В частности, существенно попользуются экспериментальные данные по образованию нанометровых зешеток пор в металлах под действием потоков нейтронов, по диспергированию и аморфизации полупроводников при ионной имплантации и по образованию стержневых и слоевых дефектов при

облучении полупроводников (Б!, йе) электронным пучком. Оправданность такой процедуры объясняется универсальностью процессов. ДД-самоорганизации под действием внешних пучковых потоков энергии.: При этом универсальным параметром, управляющим . самоорганизацией дефектов и характеризующим дозу облучения, является, однородная концентрация точечных дефектов генерируемых в твердом теле под действием внешнего потока энергии. При превышении «¿о определенных критических значений имеет место универсальная иерархия процессов самоорганизаций дефектов и образования локализованных и периодических ДД-мезоструктур. Эта универсальность позволяет апробировать'результаты теории самоорганизации мезоскопйчес^их ДД-структур при лазерном воздействии, используя также и экспериментальные данные, полученные при других типах облучения.

Интерес к исследованиям нанометровой самоорганизации дефектов под действием именно лазерного излучения вызван, в частности, практической важностью эффектов, возникающих при действии на полупроводники пико- и субнаносекундных световых импульсов. Одним из наиболее важных в этом отношении эффектов является аморфизации приповерхностного слоя исходно кристаллического полупроводника. Лазерно-индуцированная аморфизация привлекает внимание как новый метод создания аморфных полупроводников, свойства которых существенно зависят от способа их получения. ■;

В настоящее время исследования в области аморфных материалов во всем мире ведутся во все возрастающих масштабах. Приоритетный характер этих исследований обусловлен уникальным комплексом физических свойств аморфных веществ, что обуславливает их широкое практическое применение. С другой стороны, проблема описания перехода кристалла в аморфное состояние является одной из интересных и до конца не решенных задач физики твердого тела. Поэтому исследования направленной сверхбьгсгрой лазерно-индуцированной аморфизации полупроводников Ое, ОаАэ) представляют особый интерес как с научной, так и с практической точек зрения.

На данный момент имеется большое число экспериментальных работ по импульсной лазерно-индуцированной аморфизации полупроводников, однако отсутствует теоретическая модель, позволяющая с единой точки зрения описать совокупность экспериментальных результатов.

Можно предполагать, что такая модель должна быть в своих основных чертах универсальной для различных случаев аморфизации при пучковых воздействиях (лазерное облучение и облучение потоком частиц). Это предположение основано на том экспериментальном факте, что

аморфизация при пучковом воздействии происходит при достижении определенной критической концентрации а,/с точечных дефектов (междоузлий или вакансий), генерируемых в облучаемом твердом теле внешним потоком энергии.

Поэтому при построении модели аморфизации следует учитывать не только экспериментальные данные по лазерно-индуцироваиной аморфизации, по и более широкую совокупность данных по структурной модификации, происходящей при других типах пучкового воздействия на поверхность вещества.

В настоящей диссертации на основе общей теории самоорганизации ДД-мезоструктур построена модель аморфизации приповерхностного слоя при одноимпульсном лазерном плавлении поверхности исходно кристаллических полупроводников.

При действии лазерного импульса с гауссовским распределением интенсивности на исходно аморфные полупроводники наблюдается целая иерархия результирующих структурных трансформаций при уменьшении локального значения плотности энергии импульса, т.е. с ростом расстояния от центра импульса: кольцевая область, насыщенная локализованными дефектами сменяется кольцевой областью крупнозернистого поликристалла, переходящая в кольцевую область мелкозернистого поликристалла. Лморфизацию можно рассматривать как образование поликристалла с предельно малым размером кристаллических блоков (зерен), развернутых друг относительно друга. На периферии облученной области наблюдается образование области взрывной кристаллизации. Этот режим также представляет большой интерес и его описание должно быть включено в общую схему структурных трансформаций. Построенная в диссертации модель лазерно-индуцироваиной аморфизации позволяет с единой точки зрения описать данную иерархию структурных трансформаций.

Настоящая диссертационная работа посвящена построению теории самоорганизации ДД-мезоструктур под действием лазерного излучения и созданию модели лазерно-индуцироваиной аморфизации и взрывной кристаллизации при одноимпульсном воздействии, с единой точки зрения трактующей иерархию структурных трансформаций в лазерпо-облучаемых полупроводниках. Помимо аморфизации полупроводников, развитая теория приложима также для описания эффектов образования нанометровых периодических структур дефектов в других материалах, например, решеток пор в диэлектриках и металлах, а также стержневых и слоевых структур дефектов в полупроводниках при облучении электронным пучком.

Большой научный интерес, который представляет единая теория самоорганизации дефектов в нанометровом диапазоне и практическая важность и широта области ее возможных приложений обуславливает АКТУАЛЬНОСТЬ данной диссертационной работы.

Целью настоящей диссертационной работы является построение систематической теории самоорганизации точечных дефектов на основе механизма ДД-неустойчивости, которая должна описывать иерархию образования ДД-мезоструктур в твердых телах при различных типах внешнего воздействия (лазерное облучение, потоки частиц) кай функцию универсального параметра, характеризующего интенсивность внешнего' воздействия - пространственно однородной концентрации дефектов «¿о • С другой стороны,' эта теория должна быть достаточно гибкой, чтобы учитывать различие в типах межатомных связей в твердых телах (металлах и полупроводниках), приводящее к различию в характере ДД-взаимодействия. Предсказания теории должны описывать совокупность экспериментальных зависимостей характеристик ДД-мезоструктур, образующихся при различных типах облучения.

Защищаемые положения диссертации состоят в следующем.

1. При концентрациях точечных дефектов п^0, превышающих

19 —1

пороговое значение п(]с ~ 1О см , пространственно однородное состояние дефектно-деформационной (ДД) системы становится неустойчивым, и ДД-система переходит в неоднородное состояние с образованием ДД-мезоструктур.

2. Динамика образования ДД-мезоструктур состоит из двух этапов. На первом этапе происходит коллапс углового спектра ДД-мод, на втором этапе происходит либо синхронизация фаз ДД-мод, приводящая к образованию кластеров, либо коллапс (/-спектра ДД-мод, приводящий к образованию периодических структур.

3. Стационарное состояние самоорганизующейся ДД-мезосистемы описывается нелинейным уравнением для параметра порядка -пространственно-неоднородной самосогласованной деформации (аналогом уравнения Гинзбурга-Ландау в теории сверхпроводимости).

4. Существует иерархия образования трех классов стационарных ДД-мезоструктур с ростом контрольного параметра - пространственно однородной концентрации дефектов : слоевых, стержневых и ячеистых структур. Внутри каждого из этих классов существует внутренняя иерархия: после превышения первого порога образуются ДД-кластеры,

после превышении второго порога - периодические ДД-мезоструктуры. Геометрия образующихся структур определяется исходной симметрией кристалла.

5. Характерные размеры ДД-кластеров и периоды ДД-мезоструктур определяются двумя характеристическими длинами: - длиной взаимодействия атом-атом и lj - длиной взаимодействия дефект-атом, а также превышением контрольного параметра п^о над соответствующими критическими значениями.

6. Теория ДД-самоорганизации описывает пороги образования и экспериментальные зависимости периода образующихся ДД-мезоструктур от контрольных параметров (температуры и скорости генерации дефектов) для случаев образования напометровьгх решеток пор в металлах и стержневых дефектов в полупроводниках при облучении потоком частиц.

7. Модель лазерно-индуцированной аморфизации поверхности полупроводников, основанная на теории самоорганизации ДД-мезоструктур, дает значение критической скорости фронта отвердевания лазерно-индуцированного расплава Vm, при превышении которой происходит аморфизация, а также зависимости Ут от толщины расплава и от плотности энергии лазерного импульса, соответствующие экспериментальным данным.

Практическая ценность. Па основе результатов данной диссертации могут быть выработаны рекомендации по выбору режимов направленной модификации поверхности твердых тел, разработке методов увеличения лучевой стойкости оптических материалов и улучшения эксплуатационных характеристик оптоэлектропных приборов.

Апробация работы. По теме диссертации сделаны доклады на IV Всероссийской школе-семинаре "Волновые явления в неоднородных средах" (Красновидово, 1996 г.), на Международных симпозиумах "Nanostnictures: Physics and Technology - .96" (Санкт-Петербург, 1996 г.) и "Nanostructures: Physics and Technology - 97" (Санкт-Петербург, 1997 г.), на IV Межгосударственном семинаре "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (Обнинск, 1997 г.), на VI Международной конференции "Лазерные технологии'98" (Шатура, 1998), на XVI Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, список которых приведен в автореферате.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из Введения, 6 глав, Заключения и содержит 173 страницы текста, 23 рисунка , и список цитируемой литературы из 148 наименований;

Содержание работы ^

Во Введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации и поставлены задачи исследования >'! < >

В Первой главе дан обзор экспериментальных данных по образованию мезострукгур дефектов в1 твердых телах при воздействии внешних потоков энергии. В конце главы сформулирована цель настоящей работы, защищаемые положения и определена практическая значимость результатов работы. • ■• ■ ■

Во Второй главе получено выражение для свободной энергии системы дефектов, взаимодействующих через поле упругих ангармонических смещений в кубическом кристалле, с помощью которого выведены основные уравнения, описывающие нанометровую ДД-самооргализацию в трехмерном ангармоническом кристалле.

Полученные во второй главе уравнения используются в Третьей главе для описания динамики образования ДД-мезоструктур. При этом производится переход в модовое представление для полевых переменных п^(г,/) и £(г,г) (этот подход аналогичен методу концентрационных волн [3]). С учетом упругой анизотропии кубического кристалла, нелокальных взаимодействий атомов решетки друг с другом (длина взаимодействия /0) и дефектов с атомами решетки (длина взаимодействия ¡¿> /д), а также энгармонизма упругого континуума ' из исходной системы выведена система, кинетических уравнений для фурье-амплитуд самосогласованной деформаций, описывающая динамику спектра связанных неустойчивых ДД-мод, которая состоит из двух этапов.

На первом этапе происходит трансформация углового спектра ДД-мод с волновыми векторами q, при которой волновые числа мод остаются постоянными (|^г|=сопз1). Полученное в диффузионном приближении решение кинетических уравнений предсказывает пороговый угловой коллапс распределения векторов ДД-мод по направлениям в б-функции, центрированные при д\А\ех,еу,ег, где еа (а= х, у, ¿) - единичные векторы, параллельные трем направлениям типа [100] в кубическом

кристалле (Рис. 1). В результате коллапса углового распределения ДД-мод образуются три независимых континуума мод с волновыми векторами г/, ориентированными вдоль трех взаимно ортогональных направлений типа [ЮО]. ^

Межмодовое взаимодействие внутри каждого из трех независимых континуумов мод определяет динамику второго этапа ДД-самоорганизации, на котором, в зависимости от превышения п^0 над соответствующими пороговыми значениями, происходит либо образование широкого, плоского пакета ¡7]-мод, (центрированных при |<7|=0), приводящее к генерации локализованных ДД-мезоструктур (кластеров), либо коллапс спектра |д|-мод в 5-функцию (при значении //¡>0),-приводящий к генерации периодических ДД-мезоструктур. Процессы трансформации распределений в ^-пространстве происходят независимо в каждом из трех континуумов мод самосогласованной продольной деформации вдоль трех направлений типа [100]. Суперпозиция упорядоченных одномерных ДД-мезоструктур, образующаяся в результате этого процесса, приводит к образованию трехмерных стационарных кластерных и периодических ДД-мезоструктур.

В Четвертой главе рассмотрена иерархия трехмерных стационарных ДД-мезоструктур, образующихся на временах больших времен установления равновесного состояния. Рассмотрение сунерпозиционных трехмерных структур сводится к задаче описания одномерной стационарной ДД-мезоструктуры. Для решения этой задачи в работе получен функционал Ландау для свободной энергии ДД-системьт:

I

а о

(3)

двухэтапиая минимизация которого приводит к нелинейному ДД-уравнению для пространственно-неоднородного параметра порядка фазового перехода: самосогласованной продольной деформации = с ] (ха) кубического кристалла вдоль направления ха типа [100], в котором фигурируют два характерных масштабных параметра: /0 и . Найдено точное решение этого уравнения и показано, что в зависимости от превышения внешне ; контролируемого параметра и(/о над соответствующими пороговыми значениями образуются сначала локализованные нанометровь!е ДД-кластеры, а затем периодические ДД-

Р.с?о

II 2

1-

'Мо

"с/с

а,

4

,2 пс10 ,2

дх ■а

мсзоструктуры. Найдены условия образования этих двух типов одномерных ДД-мсзострукгур и определены их характеристики: размеры кластеров, период, пространственное распределение деформации и концентрации дефектов (Рис. 2).

Трехмерные ДД-мезоструктуры, геометрия которых определяется симметрией кристалла, строятся суперпозицией одномерных ДД-мезоструктур. Для рассматриваемого случая кубического кристалла существует иерархия (по контрольному параметру «¿/о) образования трех классов трехмерных ДД-мезоструктур: слоевых, стержневых и ячеистых. В каждом из этих классов существует внутренняя иерархия (по образования соответствующих кластерных и периодических ДД-мезоструктур.

Проведена апробация развитой теории образования трехмерных ДД-мезоструктур с использованием экспериментальных результатов по образованию нанометровых решеток пор в металлах (Рис. 3) и образованию стержневых и слоевых дефектов при облучении полупроводников электронным пучком. Получено хорошее соответствие теоретических и экспериментальных результатов и определено характерное значение параметра теории для металлов: 1С} » /д (/¿/ ~ 30 А, /о~ 5 А (параметр решетки) для Мо).

С использованием результатов общей теории самоорганизации ДД-мезоструктур, в Пятой главе построена модель аморфизации поверхности кристаллического полупроводника при одноимпульсном лазерном воздействии. Модель основана на механизме захвата точечных дефектов при быстром отвердевании лазерно-индуцированного расплава. Вычислено значение критической скорости фронта отвердевания, при превышении которой происходит аморфизация, соответствующее экспериментальному значению (Ус =15 м/с для 81), количественно описаны экспериментально наблюдаемые пороги образования кольцевой аморфной области. Вычислены зависимости скорости фронта отвердевания лазерно-индуцированного расплава от толщины расплава (Рис. 4) и плотности энергии лазерного импульса, описывающие экспериментальные зависимости. Развитая модель лазерно-индуцированной аморфизации использована для описания экспериментально наблюдаемой иерархии лазерно-индуцированных структурных несовершенств поверхностного слоя полупроводников, возникающей при уменьшении локальной плотности энергии облучения: монокристалл с протяженными дефектами, крупнозернистый поликристалл, мелкозернистый поликристалл. Оценено

игачение параметра теории /г/ для 81, и получено, что в отличие от леталлов, для которых»/о, в кремнии~

Для описания образования области взрывной кристаллизации, (кспериментально наблюдаемой в иерархии лазеряо-индуцированных :труктурных трансформаций на поверхности полупроводников, в Шестой •лаве аналитически исследован процесс рекомбинадионно-ускорениой вердофазной взрывной кристаллизации аморфных сред. Предложена шектронно-деформационно-тепловая (ЭДТ) модель взрывной фисталлизации, происходящей в аморфных ; .полупроводниках при штенсивной генерации электронно-дырочных пар. Показано, что ЭДТ юдель волны взрывной кристаллизации вещества аналогична модели ¡верхизлучения в инвертированных лазерных ¿родах. С учетом этой талогии аналитически получены выражения,» описывающие совместное ь >аспространение волн изменения температуры и'относительного объема морфрюй фазы. Рассчитана скорость этих волн с учетом. ' :амосогласованной деформации среды и уменьшения энергии активаций за, > :чет рекомбинации локализованных электронно-дьфочных пар. • Сформулированы два условия возникновения взрывной кристаллизации, )тражающих роль выделения скрытой энергии кристаллизации и влияния (еформации среды.

В Заключении сформулированы основные выводы диссертации и гриведен список публикаций по диссертации.

Основные результаты и выводы

1. Получено выражение для свободной энергии кубического , ^гармонического кристалла с дефектами с учетом нелокальное™ ■заимодействия атом-атом и дефект-атом. ..

2. Исследована динамика образования ДД-мезос-фуктур, состоящая [3 двух этапов. На первом этапе происходит коллапс углового спектра ДД- ' год, образуются три независимых континуума мод с волновыми векторами

ориентированными вдоль трех, взаимно ортогональных направлений типа 100]. На втором этапе межмодовое взаимодействие внутри каждого из , рех независимых континуумов мод приводит,либо к синхронизации фаз 1Д-мод и образованию локализованных ДД-мезоструктур (кластеров), ;ибо к коллапсу пространственного спектра ДД-мод и генерации [ериодических ДД-мезоструктур. Суперпозиция упорядоченных 'дномерных ДД-мезоструктур вдоль трех направлений типа [100], [риводит к образованию трехмерных стационарных кластерных и [ериодических ДД-мезоструктур.

3. Образование стационарных ДД-мсзоструктур описывается нелинейным уравнением для параметра порядка (пространственно-неоднородной самосогласованной деформации) - аналогом уравнения Гинзбурга-Ландау в теории сверхпроводимости. Получено точное решение этого уравнения и показано, что существует иерархия образования трех классов стационарных ДД-мезоструктур с ростом контрольного параметра: пространственно однородной концентрации дефектов »¿о - слоевых, стержневых и; ячеистых структур. Внутри каждого из этих классов существует внутренняя иерархия: сначала образуются ДД-кластеры, затем ДД-мезоструктуры. Ориентация образующихся структур определяется исходной симметрией кристалла.

1 4. Характерные размеры образующихся ДД-кластеров и периоды ДД-мезоструктур . определяются характеристическими длинами: длиной взаимодействия атом-атом /д и длиной взаимодействия дефект-атом /</, а также превышением контрольного параметра »"¡¿/о над соответствующими критическими значениями.

5. Аналитически определено пространственное распределение деформации и концентрации дефектов в локализованных и периодических ДД-мезоструктурах.. Получены зависимости периода образующихся ДД-мезоструктур от контрольных параметров: температуры и скорости генерации дефектов. ;

6. Полученные теоретические результаты находятся в соответствии с экспериментальными данными по образованию нанометровых решеток пор в металлах и образованию стержневых и слоевых дефектов при облучении полупроводников электронным пучком. Из сравнения с экспериментальными результатами определены соотношения между характеристическими длинами взаимодействия атом-атом (/д) и дефект-атом (/,/), причем для полупроводников получено, что ~ /о, а для металлов /1(< » /д.

7. На основе общей теории самоорганизации ДД-мезоструктур построена модель аморфизации .поверхности кристаллического полупроводника при одноимпульсном лазерном воздействии. Модель использует механизм захвата точечных дефектов при быстром отвердевании лазерно-индуцированного расплава.

8. Получено значение критической скорости фронта отвердевания лазерно-индуцированного расплава, при превышении которой происходит аморфизация, поверхности полупроводников, соответствующее экспериментальным данным, и определена критическая концентрация дефектов, захваченных из расплава, при превышении которой происходит

шорфизация. Описаны два экспериментально наблюдаемые порога збразования кольцевой аморфной области при одноимпульсном лазерном зблучении кристаллических полупроводников.

9. На, основе построенной модели лазерно-индуцированной шорфизации проведена интерпретация экспериментально наблюдаемой lepapxim лазерно-индуцированных структурных трансформаций юверхностного слоя полупроводника.

10. Предложена электронно-деформационно-тепловая модель для шалитического описания процесса взрывной рекомбинационно-,'скорешюй кристаллизации при лазбрном облучении аморфных юлупроводников. Получены аналитические выражения, описывающие ;овместное распространение волн переброса температуры и изменения лгносительного объема аморфной фазы'.' Рассчитана скорость этих волн с л1стом самосогласованной деформации среды и уменьшения энергии нстивации за счет рекомбинации локализованных электронно-дырочных iap. Показано, что процесс взрывной рекомбинационно-ускоренной фисталлизации аналогичен процессу сверхизлучения света в сооперативной системе инвертированных двухуровневых атомов.

Цитируемая литература

I. Конобеевский С.Т. // ЖЭТФ 1943,13, с.200. !. Emel'yanov V. I. // Laser Physics 1996, 6, № 2, pp. 423-426. !. Хачатурян А.Г. Теория фазовых превращений и структура твердых «створов // М.: Наука, 1974.

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в щедующих печатных работах:

1. Emel'yanov V.l., Panin I.M. Heat "superemission" and nucleation-front »ropagation nnder laser-induced crystallization of tliin amorphous films // Vppl.Phys.A 1993, 57, pp.561-566.

2. Emel'yanov V.l., Panin I.M. Hierarchy of formation of nanometer lusters and periodic defect-deformational structures in solids. // Laser Physics 996, 6, №5, pp. 971-976.

3. Емельянов В.И., Панин И.М. Иерархия образования нанометровых :ластеров и периодических структур лазерно-индуцированных дефектов. // 1звестия РАН, серия физическая 1996, 60, № 12, стр.137-142.

4. Емельянов В.И., Панин И.М. Самоорганизация неравновесных (ефектов и образование нанометровых упорядоченных структур в твердых елах. // "Структурные основы модификации материалов методами

нетрадиционных технологий". Тезисы докладов IV Межгосударственного семинара (MHT-IV), Обнинск, июнь 1997, стр. 3.

5. Emel'yanov V.I., Panin I.M. Formation of nanometer periodic and localized defect-deformational structures in solids. // "Nanostructures: Physics and Technology-96". International Symposium. Abstracts of invited lectures and contributed papers, Saint-Petersburg, June 1996, p. 155.

6. Emel'yanov V.I., Panin I.M. Formation of three-dimensional nanometer periodic and localized defect-deformational structures and amorphization in solids // "Nanostructures: Physics and Technology-97". ■ Inteniational Symposium. Abstracts of invited lectures and contributed papers, Saint-Petersburg, June 1997, p. 304.

7. Емельянов В.И., Панин И.М. Образование нанометровых упорядоченных дефектно-деформационных структур в твердых телах при воздействии на них потоков энергии//ФТТ 1997, 39, № 11, стр.2029-2035.

8. Емельянов В.И., Панин И.М. Теория импульсной лазерной аморфизации полупроводников // VI Международная конференция "Лазерные технологии'98". Программа и сборник аннотаций докладов, Шатура НИЦТЛ РАН, 1998, стр. 99,

9. Emd'yanov V.I., Panin I.M. Selforganization of 3D defect-deformational structures and threshold change of optical properties of solids // XVI Inteniational Conference on Coherent and Nonlinear Optics, Moscow, June 29 - July 2, 1998. Advance Program, p. 73.

Рис. 1. Динамика коллапса углового спектра ДД-мод в кубическом исталле. Полярный график зависимости относительной фурье амплитуды (О, г)/Сд (0, т = 0) от угла 0, где в - угол между волновым вектором ДД-ды ч и направлением [001], т = //^ , характерное время коллапса

ювого спектра. Аналогичные коллапсы происходят вдоль направлений Ю] и [010].

Рис. 2. Зависимость деформации от пространственной координаты в случае периодической ДД-мезоструктуры (сверхрешетки). Период сверхрешетки <г/ ~ 2 л 1ц, где 1(/ - характеристическая длина взаимодействия дефект-атом. Междоузлия образуют самосогласованные периодические скопления в областях С| > 0. Вакансии захвачены в ямы с с I < 0. Образуются двойные междоузельно-вакансиоппые стенки.

д, А 700-1

500-

400-

200-

1 | I г- I ] I | 1 | 1 |-1--1 Т, С

400 500 600 700 800 900 1000 1100

Рис. 3. Зависимость периода решетки пор й от температуры. Кривая -расчет теории. Квадраты - экспериментальные данные для Мо,

облученного нейтронами с энергией Е>0,1 МеУ и дозой 10" см , взятые из работы: БЯска У.К., МоГей"X // .Шис1.Ма1.1974, 54, рр.325-328.

V, м/с

!т, 10 5см

Рис. 4. Скорость фронта отвердевания расплава как функция глубины расплава при наносекундном (тр - 2,5 не) лазерном воздействии. Критическая скорость фронта отвердевания, при превышении которой наступает аморфизация Гс = 15 м/с. Кривая - расчет теории, точки -экспериментальные данные из работы: Thompson М.О., Mayer J.W., Cullis A.G.,//Phys.Rev.Lett.1983, 50, р.896.