Определение природы, концентраций и размеров нанообъектов в технически важных материалах и наноматериалах методами позитронной аннигиляционной спектроскопии

Опубликовано 12.09.2012
  |   просмотров - 3999,   комментариев - 4
Определение природы, концентраций и размеров нанообъектов в технически важных материалах и наноматериалах методами позитронной аннигиляционной спектроскопии

В. И. Графутин1, О. В. Илюхина1, Ю. Ф. Козлов1, И. Н. Мешков3, Г. Г. Мясищева1,

Е. П Прокопьев1, Г. И. Савельев1, С. П. Тимошенков, Ю. А. Чаплыгин2, Ю. В. Фунтиков1, Н. О. Хмелевский1,, С. Л. Яковенко3

1НИЦ «Курчатовский институт» Федеральное государственное бюджетное учреждение «Государственный научный центр Российской Федерации - Институт Теоретической и Экспериментальной Физики» (ФГБУ «ГНЦ РФ ИТЭФ»)

2Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МИЭТ».

3Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ).



В работе показано, что одним из эффективных методов определения размеров нанообъектов (вакансий, вакансионных кластеров), свободных объемов пор, полостей, пустот, их концентраций и химического состава в месте аннигиляции в пористых системах и некоторых дефектных материалах и особенно наноматериалах является метод позитронной аннигиляционной спектроскопии (ПАС). Дан краткий обзор экспериментальных исследований нанодефектов в пористом кремнии, кремнии и кварце, облученных протонами и в порошках кварца.

Работы коллаборации ИТЭФ-МИФИ-МИЭТ-ОИЯИ направлены на внедрение ядерно-физических и электрофизических методов исследования ядерных технологий в нано- и микроэлектронике. В качестве примера этих внедрений приводятся работы по созданию имплантера протонов в пластины большого диаметра, используемого в технологических smart-cut процессах производства конкурентоспособной, наукоемкой и импортозамещающей научно-технической продукции структур «кремний на изоляторе» (КНИ) и других полупроводников на изоляторах; разработку и внедрение высокоэффективных технологий атомной промышленности (например, облучение пластин кремния пучками протонов); развитие наукоемких технологий, поддержки работ по разработке научных основ и оптимизации технологий соединения пластин кремния, облученных протонами, и других полупроводников с гидрофильными подложками с целью получения структур КНИ, многослойных структур Ge/Si, (GexSi1-x)/Si и тонких монокристаллических слоев полупроводников (Si,. Ge, A3B5 и A2B6) для производства новой элементной базы опто-, нано- и микроэлектроники (например, для создания современных суперкомпьютеров), специальных радиационно- и термостойких интегральных схем и приборов, микроэлектромеханических устройств, сенсоров, датчиков и солнечных элементов.

Для детального понимания процессов образования и эволюции радиационных дефектов в материалах электронной и атомной промышленности в процессе облучения и после облучения (в частности, при послерадиационном отжиге), необходимо проведение фундаментальных исследований радиационных эффектов на атомно-масштабном уровне. К таким эффектам следует, прежде всего, отнести образование единичных точечных дефектов и их комплексов, развитие каскадов атомных столкновений, влияние инородных (примесных) атомов на эти процессы, распыление поверхностных атомов в припороговой области энергий бомбардирующих частиц и т. п. Важнейшей информацией во всех указанных эффектах являются данные о химической природе каждого из наблюдаемых атомов, а также о микроскопическом состоянии материалов во взаимосвязи со спектром и параметрами присутствующих дефектов.

Читать далее в формате pdf (696 КБ)

Читать далее в формате doc (2,57 МБ)


Комментарии:

Редактировать Цитировать Имя
Евгений Прокопьев, 29.11.2012 17:38:03
Евгений Прокопьев Станиславу Ордину, 29.11.2012 17:00:40
Спасибо за интересные вопросы и разъяснения. Главное. Вы Человек заинтересованный и имеющий контакты с Великими людьми. Сделали очень интересное замечание по поводу возможности наличия эффекта Шоттки в используемых нами моделях при определении средних значений размеров и концентраций нанообъектов в нанометровых диапазонах. Вы были бы абсолютно правы, если бы используемый нами метод позитронной аннигиляционной спектроскопии был бы обычным электрофизическим методом. Но это не так. Наш метод является ядерно-физическим методом. Информация о параметрах нанообъектов извлекается из спектров аннигиляционного излучения (см. раздел нашего обзора, посвященный описанию метода УРАФ). Аннигиляционные гамма-кванты несут в себе информацию о всех особенностях их взаимодействий в различных состояниях, в том числе и о позитронах, локализованных в нанообъектах. Благодарю Вас за проявленный интерес к обзору.
Цитировать Имя
Станислав Ордин, 23.09.2012 14:32:40
Спасибо за разъяснения.
Правда, они не снимают полностью вопросы.
И по масштабам не всё ясно.
И по модели: не важно, одномерная, круглая или сферическая прямоугольная потенциальная яма бесконечной глубины используется расчётчиками лишь потому, что для неё есть решение в учебниках, а определение дисперсии потенциала и есть приближение к реальности.
И по подходу, методике. Насколько я понимаю, её нельзя отнести к неразрушающей диагностике. Но это полбеды. В статье было заявлено о разработке (я так понял, что с помощью вашей диагностики, и обрадовался), новой методики формирования слоёв полупроводников. Если это не так, то будет как вчера, когда от Ковальчука приезжают ко мне люди за образцами. Один образец был как раз получен при активном сотрудничестве с технологом Али Енгалычевем. Анализ и диагностика и позволили нам понять, что надо от одноградиентной методики выращивания Бриджмена перейти к двухградиентной, причем второй градиент одномерно-несоразмерный кристалл ВСМ проходил уже в твёрдом состоянии. Второй образецбыл получен при активном сотрудничестве с технологом Борисом Николаевичем Шарупиным. Не уверен, что смогу понять, что этот уникальный технолог сотворил в раскалённой атмосфере фтора, но подвигло его на это то, что я доказал, что существуют межслоевые атомные связи в графите и нитриде бора. Как следствие и были получены кристаллы ромбоэдрической фазы.
Я это, опять, к тому, что фрагментирование исследований удобно для отчётов, но уводит от понимания реальности в голую абстракцию, качество которой оценить чисто теоретически дано не многим (таких как Г. Перельман мало). Вы правы, я сотрудничаю не только с технологами, но и с разработчиками конкретных приборов (вот и сейчас за месяц взялся сделать макет, который весь институт не взялся бы сделать за 2 года, и вроде успеваю). Но и эти разработки, если к ним подходить из первых принципов физики, дают очень много для понимания и устройства Природы, и для понимания наших «ощущений» её приборами (интерпретации данных).
Редактировать Цитировать Имя
Евгений Прокопьев, 19.09.2012 11:27:57
Дорогой Станислав,

спасибо за интерес к нашей статье.
1. Важными вопросами, которые можно решать с помощью метода позитронной аннигиляционной спектроскопии (ПАС), являются исследования механизмов и динамики возникновения, превращения и исчезновения дефектов в физике твердого тела и радиационной физике материалов, используемых в атомной и электронной промышленности, на различных стадиях технологического процесса их получения. В физике твердого тела возникло даже новое направление – позитроника дефектов.
В экспериментах по аннигиляции используются радиоактивные b+-изотопы ( и т.д.), испускающие позитроны в интервале энергий от нуля до 700 кэВ; поэтому средние пробеги позитронов в различных материалах, как правило, не превышают величину 150 мкм. Это означает, что подавляющая часть позитронов аннигилирует в приповерхностных слоях исследуемых материалов . В настоящее время развит также новый метод исследования поверхностных свойств твердого тела с помощью медленных позитронов (Е ~ 7 кэВ) на глубины < 1 мкм. В своих расчетах использовали модель сферической потенциальной с ямы с бесконечно высокими стенками, т.е. модель сферической непроницаемой силовой полости. Модель же прямоугольной потенциальной ямы использовалась в качестве получения упрощенной сферической модели расчетов для случая металлов.
2. Мы не занимались созданием приборов. Ограничивались разработкой новых методов определения параметров нанодефектов (их средних концентраций, средних размеров и химсостава атомов, окружающих нанодефект).
Цитировать Имя
Станислав Ордин, 17.09.2012 09:52:22
Дорогой Евгений,

Спасибо за информационную статью.

Правда есть несколько вопросов.
1. Я не понял, каков масштаб (толщина) получаемых пленок полупроводниковых материалов, в частности на диэлектрике.
2. Также не совсем понял, как пористые материалы можно использовать для создания нано-транзисторов для процессоров – размер пор и расстояние между ними, я так понимаю, одного порядка с размером самого транзистора.

Есть и замечание относительно любимой теоретиками прямоугольной потенциальной ямы. На нано-масштабах она никак не может быть использована. Даже на микро-масштабе надо учитывать эффект Шоттки, а на меньших – тем более.

Есть также и предложение – формирование термоэлектрических нано-структур.
Локальные термоэлектрические эффекты проявляются уже на микро-масштабе, а утоньшение масштаба структуры позволяет надеяться на увеличение КПД примерно в 3 раза по сравнению с теоретически предельными значениями для макроскопических термоэлектрических Зеебека и Пельтье. Если моё предложение интересно для Вас – напишите: stas_ordin@mail.ru