Структурные изменения в сверхпроводящих соединениях V3Si и YВа2СuзО7-х при радиационном и тепловом воздействиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

л ^

«С4

/

/1

СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СОЕДИНЕНИЯХ У331 И УВа2Си307.х ПРИ РАДИАЦИОННОМ И ТЕПЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность 01.04.07 - Физика твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург-1997

На правах рукописи

КЛОЦМАН Игорь Семенович

Работа выполнена в проблемной электрофизической лаборатории кафедры экспериментальной физики Уральского государственного технического университета, г.Екатеринбург.

Научный руководитель -

кандидат физико-математических наук, доцент Пузанов A.A. Научный консультант -

кандидат физико-математических наук, в.н.с. Казак Л.А.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Архипов В.Е.

кандидат физико-математических наук Мизгулин В.Н.

Ведущая организация - Уральский государственный университет.

Защита состоится " 16 " июня_в_15.00_

на заседании специализированного совета К 063.14.11 в Уральском

государственном техническом университете.

Отзыв в одном экземпляре просьба направлять по адресу:

620002, г.Екатеринбург, К-2, УГТУ, ученому секретарю совета университета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета.

Автореферат разослан " 16 "_мая_ 1997г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук, доцент

Е.В.Кононенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Открытие и использование сверхпроводящих соединений выдвинуло перед физикой твердого тела широкий комплекс проблем по всестороннему изучению этих сложных объектов, в том числе по изучению их реальной макро- и микроструктуры, свойств и взаимодействию дефектов, их влиянию на сверхпроводящие свойства.

Потребности ядерной энергетики и космических программ, других отраслей науки и техники, привели к тому, что за последние два десятилетия стало реальностью использование сверхпроводящих материалов для создания сверхсильных магнитных полей, кабелей, способных передавать большие потоки энергии без потерь, мощных электрических генераторов и т.д. В связи с открытием в 1987 году высокотемпературной сверхпроводимости, в частности, соединения состава МеВа2Сиз07-х (Ме - У, Ег, Сс) и др.), все большее значение приобретают сверхпроводники в области слаботочной электротехники и электроники (СКВИДы, болометры, СВЧ-резонаторы, параметрические преобразователи частоты). Реальностью стало создание сверхбыстродействующих супер-ЭВМ и т.д. Все это явилось мощным стимулятором многочисленных экспериментов по изучению возможностей применения "новых" и "старых" сверхпроводящих соединений в устройствах, работающих в "жестких" условиях ( низкие температуры и облучение).

Понимание радиационного отклика сверхпроводящих соединений, в особенности новых, важно для предсказания "радиационного поведения" устройств, изготовленных из этих материалов. Кроме того, при изготовлении изделий немаловажную роль должна играть контролируемость имплантации различных примесей или создание дефектного слоя в кристалле (например, введение дефектов на глубину порядка длины когерентности, может влиять на центры пиннинга и, следовательно, изменять критический ток).

Все вышесказанное объясняет незатухающий интерес к исследованию как "старых" сверхпроводящих соединений, так и "новых".

Одним из информативных инструментов физики твердого тела, позволяющих получать информацию о дефектах (их структуре, взаимодействии), являются методы с использованием пучков тяжелых заряженных частиц. Наибольшее развитие получили методы, основанные на регистрации обратнорассеянных (ОР) частиц и характеристического рентгеновского излучения (ХРИ), в сочетании с ориентационными эффектами в монокристаллах (каналирование и эффект теней). Исследование дефектообразования в однокомпонентных материалах

(особенно при легировании), изучение взаимодействия дефектов с примесями, радиационно-стимулированной диффузии и др. вскрыли большие возможности этих методов и дали в руки исследователей уникальный экспериментальный материал.

Вместе с тем, использование этих методов при исследовании дефектов в многокомпонентных соединениях сдерживается до сих пор отсутствием достаточно разработанной аналитической теории взаимодействия быстрых заряженных частиц с "бездефектной" и "дефектной" кристаллической решеткой, и необходимостью, в связи с этим, проводить сложные расчеты на ЭВМ. Это обусловлено сравнительно малым количеством экспериментальных работ по исследованию каналирования в многокомпонентных кристаллах и взаимодействия каналированных частиц с дефектами в кристаллах. Поэтому исследование многокомпонентных соединений методами, основанными на использовании ориентационных эффектов, является актуальным и с точки зрения развития самой методики.

Цель работы. Целью настоящей работы являлось получение информации о типах дефектной структуры, образующейся в сверхпроводящих соединениях УзЭ) и УВа2Сиз07.х при различных видах облучения и температурном воздействии, а также развитие методики исследования сверхпроводящих соединений методом каналирования в сочетании с обратным рассеянием и характеристическим рентгеновским излучением.

Для этого в работе решались следующие задачи:

- отработка методики одновременного измерения энергетических спектров ОР частиц и квантов ХРИ в интервале температур 80-300 К;

- отработка методики проведения облучения и измерения в одном цикле;

- исследование особенностей изменения выхода продуктов взаимодействия

I

анализирующего пучка с кристаллом в зависимости от дозы и типа облучения;

- исследование особенностей изменения выхода продуктов взаимодействия анализирующего пучка с кристаллом УВа2Си307.х в зависимости от флюенса облучения протонами;

- исследование особенностей изменения выхода продуктов взаимодействия анализирующего пучка с кристаллом УВа2Си307.х в зависимости от температуры кристалла.

Научная новизна

Отработана методика одновременного измерения ОР и ХРИ для многокомпонентных систем. Показана возможность качественного и полуколичественного определения типа собственных радиационных дефектов в рамках аналитического описания эффекта каналирования. Впервые экспериментально обнаружены осцилляции на "брустверах" угловых распределений РОР частиц при плоскостном каналировании в \/з31, связанные с наличием разнотипных плоскостей. Впервые в рамках одной методики проведены комплексные исследования радиационных дефектов в сверхпроводящих соединениях при облучении р+ , п° . Показано, что разный вид облучения приводит к разному типу дефектной структуры в облученных монокристаллах. Показано, что общепринятая модель радиационных дефектов в \Z3Si не объясняет экспериментально наблюдаемых изменений энергетических спектров РОР частиц при каналировании в <100>, <110>, <111> кристаллографических направлениях.

Для монокристаллических соединений У-Ва-Си-О в области температур 270-200 К обнаружен немонотонный характер изменения в минимуме углового распределения ОР протонов, что однозначно свидетельствует о наличии структурных изменений в медь-кислородной подрешетке в этой области температур. Обнаружено аномальное изменение формы угловых зависимостей ОР протонов и ХРИ при температуре жидкого азота. Показано, что эти изменения можно объяснить формированием в объеме кристалла субструктуры монокристаллических микроблоков, разориентированных на один и тот же угол порядка одного градуса. Экспериментально обнаружен аномальный характер изменения угловых распределений ОР частиц при облучении ВТСП соединений протонами. Характер изменений качественно аналогичен изменениям угловых распределений при температуре жидкого азота. Т.е. можно говорить о схожем типе дефектообразования для разных видов воздействия на кристалл.

Практическая ценность: - полученные результаты способствуют более глубокому пониманию природы радиационного воздействия на многокомпонентные интерметаллические и ионные соединения, имеют важное практическое значение для изучения физической картины радиационных нарушений в поверхностных слоях монокристаллов, подвергнутых облучению потоками быстрых заряженных и нейтральных частиц;

- полученные данные о природе радиационных дефектов могут быть использованы при прогнозировании поведения изделий из сверхпроводящих соединений (магниты, датчики) в полях излучений;

- предложенная методика обработки энергетических спектров может быть использована при исследовании нарушений кристаллической решетки не только сверхпроводников, но и нормальных металлов, полупроводников и диэлектриков, а также для изучения фазовых переходов диэлектрик-сверхпроводник и полупроводник-диэлектрик.

Автор защищает:

- методику и экспериментальные результаты исследования радиационных дефектов в сверхпроводящих монокристаллах V3Si при каналировании в <100>, <110>, <111> осевых кристаллографических направлениях;

- методику расчета концентрации смещенных атомов;

- экспериментальные результаты измерения выхода POP протонов при плоскостном каналировании в монокристаллах V3Si в зависимости от дозы облучения;

- аналитическую модель обработки экспериментальных результатов для получения информации о типе образующихся радиационных дефектов;

- модель радиационного дефектообразования в V3S1 при различных типах облучения;

- экспериментальные результаты исследования характера изменения формы и параметров угловых распределений выхода POP протонов и ХРИ при каналировании в <100> направлении ВТСП соединения Y-Ba-Cu-O при тепловом и радиационном воздействии;

- модель образующейся дефектной структуры при тепловом и радиационном воздействии.

Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались на: Всесоюзных совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (1981-1991 гг.); Всесоюзных совещаниях по высокотемпературной сверхпроводимости (1988-1991 гг.); Всесоюзном совещании по проблемам диагностики материалов ВТСП; Международном симпозиуме "Material Science for High Technologies" (Dresden, 1990)0; II Международной конференции on diffusion and defects in solids, USSR, 1991; 9-ой Международной конференции по физике и химии неорганических материалов (РФХ-9, Томск, 1996); ряде других Всесоюзных и региональных совещаниях и опубликованы в 43 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, изложена на 98 страницах машинописного текста, включая 50 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность исследований, сформулированы цели работы и приведены защищаемые автором положения.

В первой главе дан обзор современного состояния вопросов исследования дефектов в кристаллах методом каналирования. Приводятся основные формулы расчета параметров угловых распределений обратнорассеянных ионов для "бездефектных" и "дефектных кристаллов, обсуждены некоторые методические аспекты применения аналитического описания движения частиц в многокомпонентных кристаллах.

Значительная часть обзора посвящена обзору современных данных о возникающих в сверхпроводящих соединениях \/зЭ|' и УВа2Си307.х при тепловом и радиационном воздействиях дефектах. Рассмотрены наиболее популярные модели дефектообразования в этих соединениях.

Во второй главе описывается исследовательский комплекс на ускорителе ЭГ-2.5 Уральского государственного технического университета. Подробно описывается методика одновременной регистрации энергетических спектров обратнорассеянных ионов и характеристического рентгеновского излучения. Обсуждаются вопросы влияния некоторых факторов ("естественные" примеси, вносимые анализирующим пучком радиационные дефекты и др.) на экспериментально измеряемые параметры каналирования. Далее в главе описаны некоторые модели расчета концентрации радиационных дефектов. Показана применимость модели расчета, основанной на использовании значений удельного электросопротивления образцов для различных флюенсов облучения.

В третьей главе приведены результаты исследования дефектной структуры, возникающей в монокристаллах при облучении протонами и нейтронами. Подробно исследовано влияние некоторых характеристик кристаллической решетки на параметры каналирования протонов в необлученных кристаллах. Показана применимость аналитического описания параметров каналирования для монокристаллов УзБ!'. Облучение кристаллов проводилось в диапазоне флюенсов

4 А 4а л 4а <пл л

10-^8*10 см' для протонов и 8*10 -=-1.8*10 см для нейтронов. Оказалось, что для всех исследованных флюенсов облучения протонами и нейтронами

наблюдается качественно одинаковое изменение энергетических спектров и угловых распределений ОР протонов и ХРИ:

- с ростом флюенса происходит обычное монотонное увеличение выхода ОР протонов и квантов ХРИ V и

- для параметров угловых зависимостей для всех исследованных направлений и для всей глубины рассеяния частиц наблюдается уменьшение полуширины и увеличение выхода в минимуме;

- ход кривых зависимостей выхода в минимуме углового распределения ХРИ ванадия и кремния одинаков, наблюдается синхронное возрастание рентгеновского излучения от флюенса для обеих компонент и для %тн обратного рассеяния. Кроме того, отношение х^,',1 х"^' сохраняется для облученного кристалла таким же, как и для необлученного; отношения

' х!Т\ и (*£■ >X¡Г )а равны;

- для кристалла, облученного нейтронами, отношение минимальных выходов

ХРИ до и после облучения примерно такое же, как и в случае протонного облучения. На основании этих данных можно сделать вывод, что отсутствует преимущественное разупорядочение какой-либо из подрешеток при протонном и при нейтронном облучении.

Вместе с тем наблюдаются количественные различия в характере изменения параметров каналирования в зависимости от типа облучения:

- оказалось, что при одинаковых значениях (после облучения протонами флюенсом 1.8*1018 см"2 и нейтронами флюенсом 1.6*1020), изменение полуширин угловых распределений в случае протонного облучения слабее, чем при нейтронном;

- скорость возрастания числа деканалированных частиц с глубиной для кристалла, облученного нейтронами, заметно больше, чем для кристалла, облученного протонами;

- наблюдается отличие в поведении полуширин угловых распределений ХРИ при облучении протонами и нейтронами. Так, при облучении нейтронами полуширины уменьшаются для ванадия и для кремния, причем их отношение после облучения не изменилось. После облучения протонами изменения полуширин выходов ХРИ не происходит.

Итак, различие в изменениях полуширин угловых распределений обратнорассеянных протонов от монокристалла Х/38'|, облученных протонами и нейтронами, при равных выходах в минимуме для приповерхностного слоя; различное изменение скорости деканалирования частиц с глубиной; отсутствие изменения полуширин угловых распределений ХРИ для V и 3(, для кристалла,

облученного протонами, по сравнению с нейтронами и в то же время одинаковый характер изменения от энергии анализирующего пучка протонов - все это свидетельствует об одинаковом типе образующихся в объеме кристалла радиационных дефектов и о различиях в их внутренней структуре для разных видов облучения.

Характер зависимости Хш, от энергии (Е) может дать информацию о типе образующихся радиационных дефектов. Проведенные исследования характера изменения х»т от энергии анализирующего пучка для направления <100> для двух значений флюенса - 3*101Э и 1.8*Ю20 - показали, что экспериментальные значения х,ш, (Е) можно описать функциональной зависимостью вида ао+а1*Еа2 , причем значения коэффициента а2 равны 0.76 и 0.87 для флюенсов 1.8*1020 для нейтронного и 1.2*101В для протонного облучения. Это означает, что после облучения в кристалле превалируют так называемые "некоррелированные" дефекты - точечные, кластеры, аморфизованные слои. Поскольку при температурах, при которых проводились измерения, наличие одиночных точечных дефектов в объеме кристалла крайне маловероятно, наличие аморфизованных слоев не подтверждается ни многочисленными экспериментальными работами, ни нашими измерениями, остается один тип дефектов, ответственный за наблюдаемые изменения выхода продуктов взаимодействия анализирующего пучка протонов с облученными монокристаллами Х/зЭ! - кластеры собственных внедрений.

В аналитической форме выход ОР частиц от кристалла с дефектами можно записать:

:„(*) = *+ (1 - Л (0))1 (о*, • ^ (у) /Ы, {х,у№ + (1 ■- ¿(0) ■ £ (/г (у). а<к, * ^Г^) • <1 >

; I

где Хл— выход от кристалла с дефектами, х— выход от образца с

измененными в результате облучения цепочками, без учета вклада от дефектов, 1^(х,у)- профиль дефектов типа 6 по глубине кристалла, иа— поперечное

сечение деканалирования на дефектах, ^-атомная плотность кристалла-матрицы, ^-величина потока частиц в месте расположения дефекта, у-координата в поперечной плоскости канала.

В этом уравнении первый и третий члены ответственны за прямое обратное рассеяние на дефектах, а второй член - за деканалирование на дефектах. Иначе говоря, первый и третий члены характеризуют внутреннюю структуру

образующихся дефектов, в нашем случае кластеров, а второй - внешнюю, например, эффективный размер деканалирования.

Дифференцируя (1) по х и принимая, что и Яь не меняются на малом интервале глубин, после достижения статистического равновесия, и предполагая, что все наблюдаемое деканалирование вызвано деканалированием на кластерах дефектов, после несложных математических преобразований получим

ДД = стс-5>-ЛГ 0-ф. (2)

Пропорциональность, заключенная в этом уравнении, наблюдается при малых дозах, но при дозах, больших 1.2*10го , наблюдается отклонение от линейности и величина Айо стремится к насыщению при больших дозах. Эта тенденция к насыщению может быть приписана схлопыванию объемов новых каскадов с объемами уже существующих. Если значение эффективного рекомбинационного объема каждого каскада есть Ус , тогда можно предположить, что скорость образования кластеров дефектов в каскадах пропорциональна (1-Л^), т.е. части объема решетки, которая не находится внутри "рекомбинационных объемов" существующих каскадов. Таким образом, <ШС аф

- = <У[ -Ый{\-ПсУс) или, поскольку ДЯ « Стс • лг,.,

¿(АЯр) — лг дог^

1(АЯ0) _

Отрезок при пересечении графика функции —--- -- с осью У в т. АНо равен

аф

5у -ас , а наклон прямой пропорционален рекомбинационному объему Ус.

В табл. 1 приведены значения эффективных рекомбинационных радиусов в зависимости от критической энергии образования кластера.

ч

Таблица 1

Эффективные рекомбинационные радиусы образующихся каскадов при облучении протонами и нейтронами монокристаллов Х/З31

Е, кэ В су. *10'"см" Радиус, а

нейтроны протоны

10 31 12 78

20 15 15 100

30 7,2 23 120

40 5,2 30 140

50 3,2 68 170

Теперь можно попытаться определить -внутреннюю структуру кластеров собственных внедрений. В качестве нулевого приближения и для упрощения расчетов будем рассматривать приближение «нулевой» глубины рассеяния, при этом в (1) второй член будет равен нулю.

Рассмотрим три идеализированных модельных представления структуры радиационных дефектов в двухкомпонентном кристалле: антиузельные дефекты; статические смещения; собственные внедрения.

Оказалось, что даже для максимально возможной концентрации антаузельных дефектов (30 ат.% по ванадиевой подрешетке) наблюдается значительное расхождение расчетных и экспериментальных значений у/щ- / и / х^' для протонного и нейтронного облучения, то есть наблюдаемое отличие экспериментальных значений у/^ и xtl от К/Г" и zZ"'" не удается описать, используя модель антиузельных дефектов. При расчете не учитывалось влияние возможного искажения решетки вблизи антиузельных дефектов на и х.тн • Однако нам представляется маловероятным, вследствие небольшого различия

о

ионных радиусов V и Si (1.33 и 1,26А соответственно), наличие значйтельных искажений, способных вызывать наблюдаемые изменения в %liUH и особенно в f

1/2 '

Используя для интерпретации экспериментальных данных модель статических смещений (10 ат.%) при среднеквадратичной амплитуде смещения 0,023 нм и антиузельных дефектов (10 ат.%), удается получить совпадение отношений х"11 / х7иТ' экспериментальных и теоретических в пределах 10%.

Рассматривая гантельную конфигурацию собственных внедрений с концентрацией 2 ат.%, удается хорошо описать изменения х,Шн после облучения для расположения внедрений в направлении <110> с расстоянием между двумя атомами в плоскости 0,15 нм, причем учет наличия антиузельных дефектов также улучшает согласие с экспериментом. Однако в этой модели недостаточно хорошо описываются изменения полуширин .

Исследования каналирования протонов вдоль плоскостных кристаллографических направлений может, в ряде случаев, дать дополнительную информацию о характере образующихся под облучением дефектов.

Были проведены измерения угловых зависимостей выхода POP протонов вдоль плоскостных (100), (110) направлений для необлученного и облученного

нейтронами (Е>0.1МэВ,Тобл.=70°С,Ф=1.6*1020 см"2) монокристаллов V3Si при комнатной температуре.

¿I

№

^ А"

А

(юо) а

JJS 'х

|| 1

Г

Y^'t.ns'

- I''

т

s-

Л».«««-

На рис. 1 приведены угловые распределения POP протонов для (100) и (110) направлений.

Видно, что для (100) направления, как и для осевых направлений, после облучения наблюдается увеличение выхода в минимуме и уменьшение полуширины. Одновременно с этим происходят изменения угловых положений

брустверных максимумов в сторону уменьшения углов. В то же время для (110) направления увеличивается полуширина угловой

зависимости POP протонов и положения брустверных максимумов смещаются в сторону увеличения углов, что является нехарактерным поведением параметров угловых зависимостей при радиационных повреждениях.

Были проведены расчеты величин угловых положений брустверных максимумов для плоскостей (100) и (110) кристалла V3Si путем численного суммирования рядов Фурье для эффективного потенциала с учетом тепловых и статических смещений атомов, а также распределения атомов разных сортов по подрешеткам кристалла. В результате оказалась, что так же, как и в случае осевого каналирования, ни модель изотропных кластеров радиационных дефектов, ни модель гомогенного разупорядочения не в состоянии описать наблюдаемых различий в величине и знаке изменений величин угловых положений брустверных максимумов. Такие различия явно указывают на анизотропию статических смещений атомов V в результате облучения, а именно смещения имеют место преимущественно вдоль плотноупакованных цепочек

Угол, градус^"

Рис.1. Угловые распределения обратнорассеянных протонов для плоскостных направлений (100) и (110)

атомов V. Для объяснения необычного увеличения угла 6><,!"0! после облучения было сделано дополнительное предположение о возникновении значительных изотропных смещений атомов Si (- >0.2А). Как показали проведенные расчеты, такая модель искажений в облученном кристалле V3Si позволяет объяснить основные изменения величин 9° в результате появления

радиационных повреждений.

Таким образом, можно утверждать, что полученные экспериментальные данные по осевому и плоскостному каналированию свидетельствуют о преимущественном образовании анизотропных дефектов при нейтронном облучении кристаллов V3Si.

Также исследовалось влияние температуры облучения монокристалла VjSi протонами на характер изменения параметров угловых распределений обратнорассеянных частиц и характеристического рентгеновского излучения при каналировании протонов в направлении <100>. Измерения проводились для температур 170 и 296 К в интервале флюенсов от 1016 до 5*1017 см2, ход зависимостей х«.. (Ф) Для обеих температур практически идентичен для всей области флюенсов. И хотя значения (ф) Т=170 К лежат чуть ниже значений Хшн\Ф)=296 К, это различие находится в пределах экспериментальной ошибки. Таким образом, можно сделать вывод о том, что в интервале температур 170-296 К отличия в образующейся дефектной структуре могут быть только количественные, но не качественные.

В то же время, несмотря на увеличение x„„„ в 1.5-2.5 раза при максимальных измеренных флюенсах, значения Ч^ изменяются не более чем на 10%.

Точно такой же характер изменения параметров угловых распределений, как и для обратнорассеянных частиц, имеют изменения Ч^ и хт. угловых распределений ХРИ: хит возрастает, 'F,, уменьшается незначительно.

В четвертой главе описываются результаты исследования каналирования протонов в монокристаллах YBa2Cu307.x при облучении и при различных температурах кристаллов. Анализ формы и параметров (х„т и "F, ,) угловых распределений для POP протонов и ХРИ, измеренных при температуре 83 К и в интервале 170-300 К показал следующее.

Наблюдается аномальное изменение формы угловых распределений POP и ХРИ в процессе охлаждения образца. С уменьшением температуры с 300 до

170 К форма угловых распределений оставалась обычной с постепенным увеличением выхода от хмн. Д° значения, соответствующего неориентированному спектру. Однако дальнейшее охлаждение до 83 К приводит к аномальным изменениям: появляются асимметричные ступеньки на склонах угловых распределений (на рис.2 отмечены стрелками) и происходит сдвиг углового положения хт. относительно его положения при 300 и 170 К в пределах 0.3*0.7°, меняясь от образца к образцу. Эти аномалии проявлялись на образцах с хорошо различимой в оптическом микроскопе двойниковой структурой. Эффект не наблюдался для образцов с мелкой двойниковой структурой, не различимой с помощью оптического микроскопа (увеличение до 1600х).

Рис.2. Угловые распределения ОР протонов и ХРИ монокристалла УВагСизО^

Такая картина типична для всех трех анализировавшихся энергетических интервалов для POP спектров и для всех линий ХРИ, т.е. аномальные изменения формы угловых распределений при охлаждении др 83 К имеют место для всех подрешеток как для приповерхностных слоев, так и для глубин порядка нескольких микрон.

В то же время для угловых распределений РОР'для эпитаксиальных пленок при каналировании в плоскости {110}, хотя на склонах и появляются явно выраженные симметрично расположенные ступеньки, смещения углового положения £„„„, в пределах ошибки измерения, не наблюдалось (рис.3).

Было обнаружено аномальное поведение температурной зависимости х*т. и при охлаждении кристалла от 300 до 170 К. Экспериментальные результаты температурной зависимости минимального выхода обратнорассеянных протонов

(х,шн.СО) для энергетических интервалов соответствующих рассеянию протонов только на атомах У и Ва (интервал "1"), на атомах У, Ва и Си (интервал "2"), на атомах У, Ва, Си, О (интервал "3") приведены на рис.4.

Нормированный выход

(110)

Ч Y«Bi

+W

i YBe Си О /SrnO

га?-* $

•-Ь г«юок «Ají

-*• г-«< *+ Н 600 heV

Н+ 600 k»V

Нормированный выход

0 25 0.2 0.15

-i« -» -йв о oe i le з

Угол, гвадус*

Рис 3 Угловые распределения ХРИ монокристалла YBajCujO,,

О 50 100 '50 200 250 ¿30 250 Температура, К

Рис 4 Зависимость выхода ОР протонов в минимуме углового распределения для различных энергетических интервалов

Обычное уменьшение х„ин с уменьшением температуры происходит в области 300-270 К и 200-170 К, в то время как в интервале Т=270К-200К наблюдается явно выраженное изменение плавного хода зависимости х,ш, СО-Также необычно то, что значение х„„„ при низких температурах выше, чем при высоких. Значения для обратнорассеянных протонов (для энергетических интервалов "1" и "2") и для различных линий ХРИ, для температур 300 и 170 К приведены в табл. 2. Также приведены теоретические значения Ч^.

В соответствии с теоретическими оценками полуширина увеличивается при охлаждении образца. Однако обращает на себя внимание значительный рост величины Ч'„2, когда цепочки -Cu(2)-Cu(1)-0(1)-Cu(2)- принимают участие в формировании выхода POP протонов и ХРИ . Так, для энергетического интервала "2" и для линий Cu-Ka ,-Кр полуширины увеличиваются на 38-75 %. Это значительно больше, чем соответствующее увеличение полуширин угловых распределений для интервала "1" и для Y-L и Ва-L линии ХРИ. Теоретические оценки для -Ba-Y-Ba- цепочек дают 15% увеличения значений полуширин. Это значительно ближе к экспериментальным результатам для -Ba-Y-Ba- цепочек, чем для -Cu(2)-Cu(1)-0(1)-Cu(2)- цепочек. Более того, в соответствии с теорией, 'F,,, для ОР протонов должна быть больше в случае только -Ba-Y-Ba- цепочек (интервал "1"), чем в случае -Ba-Y-Ba- и -Cu(2)-Cu(1)-0(1)-Cu(2)- цепочек (интервал "2"). Из таблицы видно, что для Т=170 К мы наблюдаем как раз противоположный случай. Все это говорит о том, что аномальное изменение %2 происходит только для Cu-0 подрешетки.

Qt

. Таблица 2

Полуширины угловых зависимостей POP и ХРИ при каналировании протонов ВДОЛЬ ОСИ [001] кристалла УВагСизО?.*. (Погрешность измерения значений составляла 0.8°)

т, К POP ХРИ

Y-Ba экспер. Y-Ba теор. Y-Ba и Cu-O-Cu экспер. Y-Ba и Cu-O-Cu теор. Y-L Ba-L Экспер Си-К )имент Cu-L

300 1.35 1.42 1.21 1.26 1.23 1.05 0.82 1.05

170 1.58 1.61 1.66 1.45 1.51 1.25 1.43 1.54

тт-тш 0.17 0.13 0.37 0.15 0.23 0.19 0.74 0.47

Итак, полученные экспериментально температурные зависимости х.т„. и при изменении температуры кристаллов от 300 до 170 К отличаются от теоретических. При дальнейшем снижении температуры до 83 К наблюдаются изменения формы угловых распределений и смещение углового положения , которые имеют нерегулярный характер, варьируясь от образца к образцу.

Рассмотрим возможные причины вышеперечисленных аномальных изменений формы и параметров угловых распределений: 1. Охлаждение от 300 до 170 К.

Если отсутствует перестройка кристаллической решетки, должно наблюдаться монотонное уменьшение х.™ .■ Резкие изменения зависимости х,т. • наблюдаемые нами экспериментально, являются индикатором структурных превращений, происходящих в объеме кристалла.

Рассмотрим другой факт, упомянутый выше, т.е. аномальное увеличение полуширины Ч'ю в том случае, когда цепочки -Cu(2)-Cu(1)-0(1)-Cu(2)- принимают участие в формировании POP и ХРИ выхода. 5

Расчеты параметров угловых распределений POP протонов показали, что изменение параметров цепочек -Cu(2)-Cu(1)-0(1)-Cu(2)- при структурной перестройке влияют на величину ^ для -Ba-Y-Ba- Цепочек и в то же время не

оказывают никакого влияния на полуширину vF1,/"ft'. Таким образом, экспериментальные результаты свидетельствуют в пользу существования структурных изменений в медь-кислородной подрешетке в интервале температур 200-270 К.

2. Охлаждение от 170 до 83 К.

Предположим, что наблюдавшиеся в этом интервале температур искажения формы угловых распределений POP и ХРИ вызваны изменениями в субструктуре монокристаллов и ориентированных пленок. При этом в объеме кристалла образуется система монокристаллических микроблоков, разориентированных относительно исходного направления оси [100] на один и тот же малый угол (порядка критического угла каналирования). Микроблоки разориентированы таким образом, что их кристаллографические направления С лежат в некоторой кристаллографической плоскости {hkl}. Тогда, если следовать вышеупомянутой модели, вместо диаграммы, соответствующей первоначальной взаимной ориентации плоскости сканирования и основных кристаллографических направлений (рис. 5,а), мы должны рассматривать более сложную геометрию взаимной ориентации плоскости сканирования, кристаллографических осей и плоскостей различных групп микроблоков . (Группа включает микроблоки одной ориентации). Возможный вариант такой схемы приведен на рис. 5,6.

Таким образом, конкретная форма углового распределения определяется тем, относительно какого локального минимума проводится сканирование. Эта модель позволяет объяснить как асимметричные ступеньки, образующиеся на склонах угловых распределений, соответствующие прохождению пучка в непосредственной близости от С-направления другой группы микроблоков, так и смещение углового положения .

б

[0011,

Плоскость сканирования

Рис.5. Схемы взаимной ориентации плоскости сканирования анализирующим пучком протонов и основных кристаллографических направлений монокристалла УВа2Сиз07.х: а - исходный кристалл; б - облученный кристалл

В случае плоскостного каналирования сканирование всегда проводится перпендикулярно одним и тем же кристаллографическим плоскостям различных групп микроблоков и угловое положение должно совпадать с

первоначальным, что и наблюдается в эксперименте.

Анализ зависимостей значений параметров хЖн. и от флюенса и формы ориентационных зависимостей при различных флюенсах показал следующее:

1. По мере роста флюенса Ф величина увеличивалась, причем прирост минимального выхода с увеличением флюенса для кристаллов YBa2Cu307.x значительно больше, чем для V3Si, что указывает на его меньшую радиационную стойкость.

2. По мере роста флюенса наблюдалось не уменьшение, а увеличение полуширины , а также то, что угловое положение облученных образцов смещалось на 0.7-0.8° относительно исходного (рис.7). Это было отмечено для всех анализировавшихся нами линий ХРИ и для выхода POP. То есть эти аномалии относятся ко всем исследовавшимся нами подрешеткам отдельных элементов и характерны для широкого интервала глубин, от значений меньших 0.1 мкм до нескольких микрометров.

Нормированный выход

(0011

Cu-L

"Ч

НеоСлученный —- Облученный \ ' Н' 600 IseV \

»■«Vim"* \

V

[004

1 г

I

03 -

■ Необпучент^~ ¡у

' Облученный

И "600 teV

„,[ »-1.3-10" sm":

О* г

YBa.Cu.O,., (H'SOOkeV)"

Y>Ba«Cu ■

/

Рис.6. Угловые распределения ХРИ (а) и ОР протонов монокристалла УВагСи30?.к для облученного и необпученнога кристаллов

Рис.7. Протонограммы кристалла YBCO а-флювнс = 0; (¿-флюенс = 10 'см'2 ; с-фпгаенс = 2*10'см42

3. При флюенсах (0.1-2)*1011 см"2 на протонограммах было обнаружено "раздвоение" линий отвечающих плоскостям {100}. Пример такой протонограммы

о

б

I 2-

+

об "

приведен на рис. 7. (Здесь же, для сравнения, приведена протонограмма для необлученного образца.) Затемненные линии на фотографиях соответствуют основным кристаллографическим плоскостям, а их пересечения кристаллографическим осям. На рис. 7 пары раздвоенных линий - это рефлексы плоскостей из семейства {100}. Их пересечение соответствует оси [001]. Было также отмечено, что с ростом флюенса расстояние между раздвоенными линиями увеличивается. При флюенсе 1017см"2 линии всех кристаллографических плоскостей сильно размывались: они становились шире и снижалась их интенсивность. То есть наблюдалась обычная картина, которая интерпретируется как результат разрушения кристаллической решетки.

Эти результаты можно объяснить, если допустить, что под воздействием пучка протонов происходит структурное превращение. В объеме кристалла образуется система разориентированных под определенными углами друг к другу монокристаллических доменов. Разориентация идет по плоскостям {110}. В предыдущем разделе было показано, что в таком случае наблюдается "раздвоение" кристаллографических плоскостей {100}, аналогичное раздвоению линий на протонограммах. Тот факт, что в ориентационных зависимостях облученных кристаллов не наблюдалось при температурных измерениях асимметричных ступенек, можно объяснить тем, что они размывались из-за нарушений решетки (собственные внедрения, скопления собственных внедрений и др.) под действием протонов.

В рамках данной модели увеличение с ростом флюенса расстояния между параллельными линиями плоскостей {100} на протонограммах интерпретируется как увеличение угла разориентации доменов. Уширение ориентационных зависимостей POP и ХРИ при осевом каналировании, наблюдавшееся при возрастании флюенса, также понятно. Если углы разориентации много меньше критического угла каналирования, то полуширина суммарной ориентационной зависимости будет больше полуширин ориентационных зависимостей от разных доменов.

Возможен следующий механизм, приводящий к разориентации доменов. Под воздействием протонов в кристалле возникают локальные изменения параметров решетки. Они являются результатом каскадного повреждения объема кристалла. Это приводит к механическим напряжениям, которые могли бы сниматься путем образования разориентированных на небольшой угол относительно друг друга монокристаллических доменов.

В заключении приводятся основные результаты, полученные в данной работе:

1. Отработана методика одновременного измерения обратнорассеянных частиц и характеристического рентгеновского излучения в интервале температур 80-300 К.

2. Определена степень влияния плоскости сканирования выбранного кристаллографического направления на параметры угловых распределений продуктов взаимодействия анализирующего пучка с кристаллом. Определены пороговые значения флюенса протонов, при которых концентрация вносимых пучком дефектов еще ниже порога чувствительности метода.

3. Показана возможность использования величины удельного сопротивления 1 ат.% дефектов в соединениях со структурой А-15 для определения концентрации радиационных дефектов.

4. Исследован характер изменения каналирования протонов в монокристаллах Х/З3| для различных флюенсов облучения нейтронами и протонами. Характер зависимости выхода обратнорассеянных протонов в минимуме углового распределения направления <100> однозначно свидетельствует в пользу кластерного радиационного дефектообразования для обоих типов облучения. По скорости изменения деканалирования для разных флюенсов облучения

о

определены средние размеры образующихся кластеров: ~ 40 А для нейтронного

облучения и -90 А для кристаллов облученных протонами.

5. Характер изменения параметров угловых распределений до и после облучения

I и Ут 1 У""}™') показал, что внутренняя структура кластеров различна для различных типов облучения. В рамках модели гомогенного разупорядочения (антиузельные дефекты) не удается описать экспериментально наблюдаемые изменения параметров угловых распределений при облучении кристаллов Ч/35| нейтронами. Наилучшее совпадение экспериментальных данных с расчетными достигается при использовании модели -гантельная конфигурация собственного внедрения, причем учет наличия антиузельных дефектов (в небольших концентрациях) улучшает согласие экспериментальных и расчетных значений отношений Хм"„ ! ХшГ' и 1 '/ГГ" • Размер гантели при этом является параметром величины концентрации радиационных дефектов. Для монокристаллов, облученных нейтронами, размер гантели оказывается

равным -1.5 А (~0.3 а, где а параметр решетки), что близко к величинам размера гантели в модельных однокомпонентных кристаллах - 0.5 а (\Л/, Мо и др.). Для

кристаллов, облученных протонами, размер гантели оказывается много меньше -торядка 0.3 А.

Впервые экспериментально обнаружены осцилляции на "брустверах" угловых эаспределений обратнорассеянных частиц при каналировании в (100) и (110) направлениях кристалла обусловленные расщеплением предельного угла плоскостного каналирования. После облучения нейтронами положения максимумов этих осцилляций сближаются для (100) плоскостного направления и раздвигаются для направления (110). Расчеты показали, что как и в случае осевого каналирования, ни модель изотропных кластеров радиационных дефектов, ни модель гомогенного или кластерного разупорядочения не в состоянии описать наблюдаемые различия в величине и знаке изменений величин углового положения максимумов осцилляций. Такие различия явно /казывают на анизотропию статических смещений атомов V и в результате

облучения (г>0.2А).

Проведен анализ характера изменения выхода характеристического рентгеновского излучения атомов V и Эк Для кристаллов облученных протонами и нейтронами отношений минимальных выходов ХРИ до и после облучения примерно одинаковое для всех флюенсов облучения. Наряду с этим, после облучения нейтронами, значения полуширин уменьшаются как для ванадия так и цля кремния, в то время как после облучения протонами изменения полуширин выходов ХРИ не происходит. Все это однозначно свидетельствует в пользу того, что отсутствует преимущественное разупорядочение какой-либо из подрешеток кристалла при протонном и нейтронном облучении.

Исследованы характер изменения формы и параметров угловых распределений ОР протонов и ХРИ от монокристалла УВа2Си3Ог.х в интервале температур 80-300 К. Обнаружено, что в интервале температур 200-270 К наблюдаются осцилляции на зависимости х«т СО. свидетельствующие о происходящих структурных изменениях решетки в этом интервале температур. Анализ значений полуширин угловых распределений обратнорассеянных протонов и ХРИ показал, что эти структурные изменения происходят в медь-кислородной подрешетке. Впервые экспериментально обнаружены аномалии в угловых распределениях ОР протонов и ХРИ монокристалла УВа2Си307.х при охлаждении до азотных температур - искажения формы и смещение углового положения минимума осевых и плоскостных угловых распределений. Эти искажения объясняются

формированием в объеме кристалла субструктуры монокристаллических микроблоков, разориентированных друг относительно друга на угол =1°.

10. При облучении протонами монокристаллов УВагСизО?^ при флюенсах до 2*1017см'2 наблюдались нехарактерные особенности в картине каналирования и эффекта теней: раздвоение линий на протонограммах, уширение ориентационных зависимостей с ростом флюенса и смещение углового положения %л1т . Эти изменения можно объяснить тем, что в объеме кристалла образуется система разориентированных под определенными углами (порядка 1°) друг к другу монокристаллических доменов. Разориентация идет, как и в случае формирования системы микроблоков при азотной температуре, по плоскостям {110}.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Исследование методом каналирования радиационного повреждения монокристаллов У33'| протонами / Л.А.Казак, И.С.Клоцман, А.И.Коссе и др. П Тезисы докладов XII Всесоюзного совещания по ФВЗЧК. М., 1982. С.120.

2. Исследование методом каналирования радиационного повреждения монокристалла \/331 протонами / Л.А.Казак, И.С.Клоцман, А.И.Коссе и др. // Радиационно-стимулированные явления в твердых телах. Свердловск: УПИ, 1985. Вып.5. С.12-17.

3. Исследование свойств бронз теоретическим и экспериментальным методами ядерной физики (х/д тема 04844):0тчет по НИР / В.Я.Арбузов, Л.А.Казак, И.С.Клоцман и др. / УПИ. НГ 79005425. Свердловск:, 1984, Гл.5. 27 с.

4. Зависимость потока каналированных частиц от концентрации щелочного металла в монокристаллах Ыах\Л/03 / В.Я.Арбузов, А.Е.Бунтов, И.С.Клоцман и др. I УПИ. М., 1984. С.28-34. Деп. В ВИНИТИ, №3259. 1

5. Изучение кристаллов \/33», облученных протонами и нейтронами / Л.А.Казак, И.С.Клоцман, А.И.Коссе и др. II Радиационные эффекты в металлах и сплавах. Алма-Ата, 1985. С.57-60.

6. Исследование методом каналирования радиационного повреждения монокристаллов Х/З3{ протонами / Л.А.Казак, И.С.Клоцман, А.И.Коссе и др. II Радиационно-стимулированные явления в твердых телах. Свердловск: УПИ. 1984. Вып.6. С.31-34.

7. Исследование облученных нейтронами монокристаллов \/331 с помощью осевого и плоскостного каналирования / Л.А.Казак, И.С.Клоцман, А.А.Пузанов и др. // Тезисы

ХУ1 Всесоюзного совещания по ФВЗЧК. М., 1986. С.98. Казак Л.А., Клоцман И.С., Пузанов A.A. Исследование дефектной структуры монокристаллов VaSi методом каналирования II Взаимодействие атомных частиц с твердым телом. Минск, 1987. С.333-336.

Казак Л.А., Клоцман И.С., Пузанов A.A. Зависимость параметров каналирования

протонов от флюенса облучения нейтронами монокристалла V3Si // Труды ХУ11

Всесоюзного совещания ФВЗЧК. М., 1988. С.133-135.

.Казак Л.А., Клоцман И.С., Пузанов A.A. Исследование дефектной структуры

облученного монокристалла V3Si методом каналирования // Физика металлов и

металловедение. 1988. Т.66, вып.З. С.517-526.

.Исследование методом каналирования радиационного повреждения

монокристаллов YBa2Cu307.x протонами I Л.А.Казак, И.С.Клоцман, А.А.Пузанов

и др. // Всесоюзное совещание по высокотемпературной сверхпроводимости.

Харьков, 1988. С.31.

.Исследование эпитаксиальных пленок Y-Ba-Cu-0 с помощью обратного рассеяния и каналирования ионов / А.В.Иванченко, Л.А.Казак, И.С.Клоцман и др. // Всесоюзное совещание по высокотемпературной сверхпроводимости. Харьков,

1988. С.19.

.Исследование радиационных повреждений в монокристаллах методом каналирования / Л.А.Казак, И.С.Клоцман, А.И.Коссе и др. //Физико-химические свойства и спектроскопия новых оксидных и сверхпроводящих материалов. Свердловск, 1989.

.Применение метода обратного рассеяния и каналирования ионов для анализа структурного совершенства эпитаксиальных пленок YBa2Cu307.,</SrTi03 / А.В.Иванченко, И.С.Клоцман, Т.М.Пяткова и др. //Физико-химические свойства и спектроскопия новых оксидных и сверхпроводящих материалов. Свердловск,

1989.

.Исследование эпитаксиальных пленок Y-Ba-Cu-0 с помощью обратного рассеяния каналированных ионов / А.В.Иванченко, И.С.Клоцман, А.А.Пузанов и др. // Материалы I Всесоюзного совещания по проблемам диагностики материалов ВТСП. Черноголовка, 1989. С.91. .Исследование пленок Y-Ba-Cu-0 с помощью обратного рассеяния и каналирования ионов/А.В.Иванченко, И.С.Клоцман, Т.М.Пяткова и др. II Заводская лаборатория. 1990. №8. С.74-78.

17.Ion-channeling УВа2Сиз07.х crystals structure changes analysis in the temperature range 80-300K / N.Yu.lebediev, V.P.Korobeinikov, I.S.KIotsman e.a. II Collected Abstracts. International Symposium "Material Science for High Technologies". Dresden, 1990. V.1.P.100.

18.Наблюдения структурных изменений в монокристалле УВагСизО?.* при азотных температурах методом каналирования I И.С.Клоцман, В.П.Коробейников, Н.Ю.Лебедев и др. II Материалы XX Всесоюзного совещания по ФВЗЧК.

М.: Изд-во МГУ, 1991. С.170-175.

19.The channeling and blocking observation of proton-induced structure transformation in УВагСи307-х single crystal / N.Yu.Lebediev, V.P.Korobeinikov, I.S.KIotsman e.a. II

II International conference on diffusion and defects in solids. USSR, 1991. P.24.

20.Klotsman I.S., Kazak. A.A. Radiation-induced defects in V3Si: study by channeling // II International conference on diffusion and defects in solids. USSR, 1991. P.31.

21 .Структурные изменения в монокристаллах УВа2Сиз07-х в области температур 200-270 К / И.С.Клоцман, Н.Ю.Лебедев, Т.М.Пяткова и др. // Физика низких температур. 1991. Т.17. С.1518-1522.

22.Исследование структурных изменений с монокристаллах УВагСи307-х в интервале температур 80-300К методом каналирования / И.С.Клоцман, Н.ЮЛебедев, Т.М.Пяткова и др. II Физика ион-атомных столкновений в твердых телах: Межв.сб.научн.трудов. Екатеринбург, 1996. С.129-131.

23.Клоцман И.С., Пяткова Т.М., Пузанов А.А. Структурные изменения в монокристаллах УВагСизО?.* при облучении быстрыми протонами // Тезисы докладов 9-й Международной конференции по физике и химии неорганических материалов (РФХ-9). Томск, 1996. С.195.

Подписано в печать 13.05.97 Формат 60x84 1/16 Бумага типографская Плоская печать Усл.п.л. 1,39 Уч.-изд.л. 1,09_Тираж 100_Заказ 112_Бесплатно

Издательство УГТУ 620002, Екатеринбург, УГТУ, Мира, 19 ООО "Паритет-Инвест". 620062, Екатеринбург, ул.Ленина, 60-а, к.540