Табалдырықты ығыстыру энергиясы - Threshold displacement energy

The орын ауыстыру энергиясы минимум кинетикалық энергия а-дағы атом қатты оның тор орналасқан жерінен а-ға тұрақты түрде ауыстыру қажет ақау Бұл «ығыстыру шегі энергиясы» немесе жай «ығысу энергиясы» деп те аталады кристалл, әрқайсысы үшін шекті орын ауыстыру энергиясы бар кристаллографиялық бағыт. Содан кейін оларды ең аз мөлшерден ажырату керек және орташа барлық шекті бағыттар бойынша орын ауыстыру энергиясы аморфты қатты денелер, қызығушылықтың басқа орташа мөлшерін сипаттау үшін тиімді орын ауыстыру энергиясын анықтауға болады. Қатты денелердегі шекті орын ауыстыру энергиялары 10 - 50 қатарына сәйкес келеді eV.[1][2][3][4][5]

Теория және модельдеу

Шекті орын ауыстыру энергиясы - бұл жоғары энергия кезінде қолданылатын материалдардың қасиеті бөлшектердің сәулеленуі материалдар. максималды энергия сәулеленетін бөлшек а екілік соқтығысу материалдағы атомға (қоса алғанда) беріледі релятивистік әсерлер)

мұндағы Е - кинетикалық энергия және m сәулеленетін бөлшектің массасы, ал M - атом атомының массасы. с - жарық жылдамдығы, егер кинетикалық энергия E массадан әлдеқайда аз болса сәулеленетін бөлшектің теңдеуі -ге дейін азаяды

Тұрақты ақаулар бастапқыда мінсізден пайда болуы үшін кристалл тор, ол алатын кинетикалық энергия а-ның түзілу энергиясынан үлкен болуы керек Френкель жұбы. Алайда, кристалдардағы Френкель жұбының түзілу энергиясы әдетте 5-10 эВ шамасында болса, орташа жылжу энергиясы едәуір жоғары, 20-50 эВ.[1] Бұл айқын келіспеушіліктің себебі ақаулардың қалыптасуы күрделі көп денелі соқтығысу процесі болып табылады (аз соқтығысу каскады ) бұл жерде кері энергияны алатын атом кері секіре алады немесе басқа атомды өз торына қайтара алады. Демек, ең төменгі шекті жылжу энергиясы да, әдетте, Френкель жұбының түзілу энергиясынан анағұрлым жоғары болады.

Әрбір кристалды бағыт негізінен өзінің шекті жылжу энергиясына ие, сондықтан толық сипаттама үшін шекті жылжудың толық бетін білу керек барлық балама емес үшін кристаллографиялық бағыттар [hkl]. Содан кейін және мұндағы минимум мен орташа үш өлшемдегі барлық бұрыштарға қатысты.

Қосымша асқыну - берілген бағыт үшін шекті орын ауыстыру энергиясы міндетті түрде қадам функциясы емес, бірақ кездейсоқ атомдардың орын ауыстыруларына байланысты ақау пайда болатын немесе болмайтын аралық энергетикалық аймақ болуы мүмкін. ақау пайда болуы мүмкін шегі және ол, әрине, қалыптасатын жоғарғы бөлігі .[6]Бұл екеуінің арасындағы айырмашылық таңқаларлықтай үлкен болуы мүмкін және бұл әсер ескеріле ме, жоқ па, орташа шекті орын ауыстыру энергиясына үлкен әсер етуі мүмкін.[7]

Қатысты болатын бір аналитикалық теңдеуді жазу мүмкін емес. материалдың серпімді қасиеттері немесе ақаулардың пайда болу энергиясы шекті орын ауыстыру энергиясына дейін. Демек, шекті жылжу энергиясын теориялық зерттеу әдеттегідей классикалық әдіспен жүзеге асырылады[6][7] [8][9][10][11]немесе кванттық механикалық [12][13][14][15]молекулалық динамика компьютерлік модельдеу. Ауыстырудың аналитикалық сипаттамасы мүмкін болмаса да, «кенеттен жуықтау» ең болмағанда ковалентті материалдар мен төмен индексті кристалды бағыттарда шекті орын ауыстыру энергиясының жақсы жақындығын береді [13]

Молекулалық динамиканың мысалында шекті орын ауыстыру оқиғасын алуға болады [1]. Анимация ақаудың қалай болатынын көрсетеді (Френкель жұбы, яғни интерстициалды және бос орын ) тор атомына 100 бағытта 20 эВ кері энергия берілсе, кремнийде түзіледі. Анимацияға арналған деректер алынды тығыздықтың функционалдық теориясы молекулалық динамика компьютерлік модельдеу.[15]

Мұндай модельдеу шекті орын ауыстыру энергиясы туралы маңызды сапалы түсініктер берді, бірақ сандық нәтижелерге сақтықпен қарау керек. атомаралық потенциалдар әдетте тепе-теңдік қасиеттеріне ғана сәйкес келеді, демек олардың болжамды қабілеті шектеулі болуы мүмкін. Si және Fe сияқты ең көп зерттелген материалдардың өзінде, болжамды шекті ығысу энергиясының екі еселенген ауытқулары бар.[7][15] Кванттық механикалық модельдеу тығыздықтың функционалдық теориясы (DFT) әлдеқайда дәлірек болуы мүмкін, бірақ олардың сандық сенімділігін бағалау үшін осы мәселе бойынша әр түрлі DFT әдістерін салыстырмалы зерттеулер өте аз жүргізілген.

Эксперименттік зерттеулер

Шекті орын ауыстыру энергиялары кең көлемде зерттелген электронды сәулелену тәжірибелер. Кинетикалық энергиясы жүздеген ретті электрондар кеВ немесе бірнеше MeVs бір уақытта торлы атоммен соқтығысады деп өте жақсы жақындатуға болады, бөлшектер үдеткішінен шығатын электрондардың бастапқы энергиясы дәл белгілі болғандықтан, ең болмағанда шекті төменгі жылжуды анықтауға болады.ақау пайда болғанға дейін кристалды өсіп келе жатқан электрондармен сәулелендіру арқылы энергияны. Жоғарыда келтірілген теңдеулерді пайдаланып, E энергиясын табалдырық энергиясына T айналдыруға болады, егер сәулелену белгілі бір кристалда орындалса кристаллографиялық бағыттар бағыт бойынша шекті мәндерді де анықтауға болады.[1][3][4][16][17]

Тәжірибе нәтижелерін түсіндіруде бірнеше қиындықтар бар. Бірнешеуін атап өту керек, қалың үлгілерде электронды сәуле таралады, демек, бір кристаллдардағы өлшеу тек бір ғана анықталған кристалды бағытты зерттемейді. Қоспалар табалдырықты таза материалдардағыдан төменірек көрсетуі мүмкін.

Температураға тәуелділік

Шекті орын ауыстыру энергиясын температура мен температураны интерпретациялау кезінде ерекше назар аудару керек ақаулар қозғалмалы және қайта біріктірілуі мүмкін. Мұндай температурада екі нақты процесті қарастырған жөн: ақаулықты жоғары энергетикамен құру (А сатысы) және одан кейінгі термиялық рекомбинация әсерлері (В кезеңі).

Ақаулардың пайда болуының бастапқы кезеңі, барлық артық кинетикалық энергия торда бөлініп, бастапқы температураға дейін T болғанға дейін0, <5 ps алады. Бұл шекті жылжудың негізгі энергиясы («алғашқы зақымдану»), сонымен қатар оны әдеттегідей модельдейді молекулалық динамика компьютерлік модельдеу. Осыдан кейін (B кезеңі), бірақ жақын Френкель жұбы термиялық процестермен біріктірілуі мүмкін. Табалдырықтан сәл жоғары қуатты қайтару тек жақын Френкель жұптарын шығаратындықтан, рекомбинация ықтимал.

Эксперименттік уақыт шкалалары мен бірінші (I сатыдағы) рекомбинация температурасынан жоғары температураларға байланысты, А және В кезеңдерінің жиынтық эффектісі көрінеді, демек, Френкель жұптары өндіргендіктен, шекті энергия көбінесе температура жоғарылаған сайын көбейе бастайды. ең төменгі энергиялық шегі бойынша барлық рекомбинацияланады, ал жоғары энергокешендер шығаратын ақаулар ғана қалады. Жылулық рекомбинация уақытқа тәуелді болғандықтан, кез-келген B рекомбинация кезеңі де нәтижелер ион сәулелену ағынына тәуелді болуы мүмкін дегенді білдіреді.

Материалдардың кең спектрінде ақаулар рекомбинациясы бөлме температурасынан төмен болып келеді. Мысалы. металдарда бастапқы («I саты») Frenkelpair рекомбинациясы және интерстициальды миграция 10-20 К шамасында жүре бастайды.[18]Сол сияқты, Si-де зақымданудың үлкен рекомбинациясы ионды сәулелендіру кезінде 100 К, ал электронды сәулелендіру кезінде 4 К шамасында болады.[19]

А деңгейінің орын ауыстыру энергиясы температураға тәуелді болады деп күтуге болады, мысалы, термаселдің кеңеюі, серпімді тұрақтылардың температураға тәуелділігі және тор температураға дейін салқындағанға дейін рекомбинация ықтималдығының жоғарылауы.0.Бұл эффекттер, мүмкін, В кезеңіндегі термиялық рекомбинация әсерінен әлдеқайда әлсіз болуы мүмкін.

Жоғары энергетикалық зиянды өндіріске қатысты

Шекті орын ауыстыру энергиясы көбінесе жалпы соманы бағалау үшін қолданылады ақаулар Кинчин-Пийз немесе NRТеңдеулерін қолдану арқылы жоғары энергия сәулеленуімен өндіріледі[20][21]бұл Френкель жұптарының саны өндірілгенін айтады үшін жинақталған ядролық энергия туралы болып табылады

жоғарыда көрсетілген кез келген ядролық энергия үшін .

Алайда, бұл теңдеуді бірнеше себептер бойынша өте сақтықпен қолдану керек. Мысалы, бұл кез-келген термиялық активтендірілген рекомбинацияны есепке алмайды, сонымен қатар металда зиянды заттардың өндірісі жоғары энергияға жататындығы Кинчин-Пиздің болжауының 20% -ы сияқты.[4]

Шекті орын ауыстыру энергиясы жиі қолданылады екілік коллизияны жуықтау сияқты компьютер кодтары SRIM[22] бағалау шамасына дейін. Алайда, осы кодтарға Kinchin-Pease теңдеуіндегідей ескертулер қолданылады (егер олар демагеромекомбинация моделімен кеңейтілмесе).

Сонымен қатар, Кинчин-Пийз теңдеуі де, SRIM де ешбір жағдайда есепке алмайды иондық канализация, бұл кристалды немесе поликристалды материалдардағы ядролық шөгінділердің энергиясын төмендетуі мүмкін, демек, кейбір мақсатты комбинациялар үшін өндірістің шығыны күрт өзгереді. Мысалы, Si 110 кристалл бағыты бойынша keV ионын имплантациялау үлкен канализацияға әкеледі және осылайша тоқтау қуаты төмендейді.[23]Сол сияқты, Hele сияқты жеңіл ион BCC металын Feleads тәрізді кездейсоқ таңдалған кристалл бағытында да массивті канализацияға сәулелендіреді.[24]

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ а б c Андерсен, H. H. (1979). «Тозаңды профильдеудің тереңдігі». Қолданбалы физика. «Springer Science and Business Media» жауапкершілігі шектеулі серіктестігі. 18 (2): 131–140. дои:10.1007 / bf00934407. ISSN  0340-3793. S2CID  54858884.
  2. ^ М. Настаси, Дж. Майер және Дж. Хирвонен, қатты ионды өзара әрекеттесу - негіздер және қолдану, Кембридж университетінің баспасы, Кембридж, Ұлыбритания, 1996 ж.
  3. ^ а б П. Лукассон, Металдардағы Френкель ақауларын өндіру, металдардағы радиациялық зақымданудың негізгі аспектілері, редакциялаған М. Т.Робинсон және Ф. Н. Янг кіші, 42-65 беттер, Спрингфилд, 1975, ORNL
  4. ^ а б c R. S. Averback және T. Diaz de la Rubia, Қатты дене физикасындағы сәулеленген металдар мен жартылай өткізгіштердегі орын ауыстырудың зақымдануы, Х. Эренфест пен Ф. Спаепеннің редакциясымен, 51-том, 281-402 беттер, Academic Press, Нью-Йорк, 1998 ж.
  5. ^ Р.Смит (ред.), Қатты денелер мен беттердегі атомдық және иондық соқтығысулар: теория, модельдеу және қолдану, Кембридж Университеті Пресс, Кембридж, Ұлыбритания, 1997
  6. ^ а б Малерба, Л .; Перладо, Дж. М. (2 қаңтар 2002). «Кремний карбидіндегі атомдық ығысудың негізгі механизмдері: молекулалық динамиканы зерттеу». Физикалық шолу B. Американдық физикалық қоғам (APS). 65 (4): 045202. дои:10.1103 / physrevb.65.045202. ISSN  0163-1829.
  7. ^ а б c Нордлунд, К .; Валлениус, Дж .; Малерба, Л. (2006). «Fe-дегі орын ауыстыру энергияларының молекулалық-динамикалық модельдеуі». Ядролық құралдар мен физиканы зерттеу әдістері В бөлімі: материалдармен және сәулелермен сәуленің өзара әрекеттесуі. Elsevier BV. 246 (2): 322–332. дои:10.1016 / j.nimb.2006.01.003. ISSN  0168-583X.
  8. ^ Гибсон, Дж.Б .; Голанд, А. Н .; Милграм М .; Vineyard, G. H. (15 қараша 1960). «Радиациялық зақымдану динамикасы». Физикалық шолу. Американдық физикалық қоғам (APS). 120 (4): 1229–1253. дои:10.1103 / physrev.120.1229. ISSN  0031-899X.
  9. ^ Эргинсой, С .; Жүзімдік, Г. Х .; Энглерт, А. (1964 ж., 20 қаңтар). «Денеге бағытталған кубтық тордағы радиациялық зақымдану динамикасы». Физикалық шолу. Американдық физикалық қоғам (APS). 133 (2A): A595-A606. дои:10.1103 / physrev.133.a595. ISSN  0031-899X.
  10. ^ Катурла, М.-Дж .; Де Ла Рубия, Т. Диас; Гилмер, Г.Х. (1993). «Кремнийдегі нүктелік ақауларды өндіру, геометрия және тұрақтылық: молекулалық динамиканы модельдеу зерттеуі». MRS іс жүргізу. Кембридж университетінің баспасы (CUP). 316: 141. дои:10.1557 / proc-316-141. ISSN  1946-4274.
  11. ^ Бёнвон паркі; Вебер, Уильям Дж.; Корралес, Л.Рене (16 қазан 2001). «Циркондағы шекті орын ауыстырулар мен ақаулардың пайда болуын молекулалық-динамикалық модельдеу». Физикалық шолу B. Американдық физикалық қоғам (APS). 64 (17): 174108. дои:10.1103 / physrevb.64.174108. ISSN  0163-1829.
  12. ^ Ульман С .; Фрауенхайм, Тх .; Бойд, К.Дж .; Мартон, Д .; Rabalais, J. W. (1997). «Молекулалық динамиканы зерттеу кезінде төмен энергиялы Si (100) 2 × 2 өзін-өзі бомбалау кезіндегі элементарлы процестер». Қатты денелердегі радиациялық әсер және ақаулар. Informa UK Limited. 141 (1–4): 185–198. дои:10.1080/10420159708211569. ISSN  1042-0150.
  13. ^ а б Виндл, Вольфганг; Леноский, Томас Дж; Кресс, Джоэл Д; Сайлаушы, Артур Ф (1998). «Si және SiC радиациялық ақауларын зерттеудің алғашқы принциптері». Ядролық құралдар мен физиканы зерттеу әдістері В бөлімі: материалдармен және сәулелермен сәуленің өзара әрекеттесуі. Elsevier BV. 141 (1–4): 61–65. дои:10.1016 / s0168-583x (98) 00082-2. ISSN  0168-583X.
  14. ^ Маззароло, Массимилиано; Коломбо, Лучано; Лулли, Джорджио; Альбертцци, Эрос (26 сәуір 2001). «Кристалды кремнийдегі төмен энергияны қайтару: кванттық модельдеу». Физикалық шолу B. Американдық физикалық қоғам (APS). 63 (19): 195207. дои:10.1103 / physrevb.63.195207. ISSN  0163-1829.
  15. ^ а б c Холмстрем, Э .; Куронен, А .; Nordlund, K. (9 шілде 2008). «Молекулалық динамиканың функционалды теориясының функционалдық теориясымен анықталатын кремнийдегі ақаулардың өндірісі» (PDF). Физикалық шолу B. Американдық физикалық қоғам (APS). 78 (4): 045202. дои:10.1103 / physrevb.78.045202. ISSN  1098-0121.
  16. ^ Лоферски, Дж. Дж .; Рапапорт, П. (1958 ж. 15 шілде). «Тасымалдаушының өмір бойы өзгеруі арқылы анықталған Ge және Si радиациялық зақымдануы: зақымдану шегі». Физикалық шолу. Американдық физикалық қоғам (APS). 111 (2): 432–439. дои:10.1103 / physrev.111.432. ISSN  0031-899X.
  17. ^ Банхарт, Флориан (30 шілде 1999). «Көміртекті наноқұрылымдардағы сәулелену әсерлері». Физикадағы прогресс туралы есептер. IOP Publishing. 62 (8): 1181–1221. дои:10.1088/0034-4885/62/8/201. ISSN  0034-4885.
  18. ^ П. Эрхарт, Металлдар мен қорытпалардағы атомдық ақаулардың қасиеттері мен өзара әрекеттесуі, Ландолт-В «орнстейннің 25 томы, Жаңа III серия, 2 тарау, 88 бет, Спрингер, Берлин, 1991
  19. ^ Partyka, P .; Чжун, Ю .; Нордлунд, К .; Авербэк, Р. С .; Робинсон, И.М .; Эрхарт, П. (27 қараша 2001). «Жайылымдағы жайылым, кремнийдегі сәулеленудің әсер ететін нүктелік ақауларының қасиеттерін диффузды рентгендік шашырауды зерттеу». Физикалық шолу B. Американдық физикалық қоғам (APS). 64 (23): 235207. дои:10.1103 / physrevb.64.235207. ISSN  0163-1829.
  20. ^ Норжетт, Дж .; Робинсон, М.Т .; Торренс, И.М. (1975). «Ығыстыру дозасының мөлшерін есептеудің ұсынылған әдісі». Ядролық инженерия және дизайн. Elsevier BV. 33 (1): 50–54. дои:10.1016/0029-5493(75)90035-7. ISSN  0029-5493.
  21. ^ ASTM Standard E693-94, темірге және аз легирленген болаттарға нейтронның әсерін бір атомға ығыстыру бойынша сипаттауға арналған стандартты практика, (dpa), 1994 ж.
  22. ^ http://www.srim.org
  23. ^ Силланпя, Дж .; Нордлунд, К .; Keinonen, J. (1 шілде 2000). «Зарядтың үш өлшемді үлестірілімінен Si-ді электронды тоқтату». Физикалық шолу B. Американдық физикалық қоғам (APS). 62 (5): 3109–3116. дои:10.1103 / physrevb.62.3109. ISSN  0163-1829.
  24. ^ K. Nordlund, He in Fe-дің MDRANGE есептеулері (2009 ж.), EFDA MATREMEV кездесуінде көпшілік назарына, Аликанте, 19.11.2009