некоторые аспекты эффекта дальнодействия

УДК 621.039.531: 546.881
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ЭФФЕКТА ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ
Н.П. Апарина, М.И. Гусева, Б.Н. Колбасов, С.Н. Коршунов, А.Н. Мансурова, Ю.В. Мартыненко
(РНЦ «Курчатовский институт»), И.В. Боровицкая, Л.И. Иванов
(Институт металлургии и материаловедения РАН им. А.А. Байкова)
Представлен обзор теоретических моделей и экспериментальных данных, связанных с эффектом дальнодействия под влиянием
различного вида облучений металлических и полупроводниковых материалов. Показано, что этот эффект значительно
расширит возможности обработки металлических и полупроводниковых мишеней ионными и плазменными пучками, но в то же
время он требует дальнейшего серьезного теоретического анализа и дальнейших экспериментальных исследований.
SOME ASPECTS OF THE LONG RANGE EFFECT. N.P. APARINA, M.I. GUSEVA, B.N. KOLBASOV, S.N. KORSHUNOV,
A.N. MANSUROVA, Yu.V. MARTYNENKO, I.V. BOROVITSKAJA, L.I. IVANOV. A review of theoretical models and experimental
data concerning the long-term effect in metallic and semiconductor materials under the influence of different types of irradiations is
presented. It is shown that this effect allows considerably to increase possibilities of ion and plasma beams treatment of metals and
semiconductors targets but at the same time it requires both further serious theoretical analysis and experimental investigation.
ВВЕДЕНИЕ
Под дальнодействием понимается изменение дефектной структуры и свойств материалов на
расстояниях, протяженность которых существенно выше, чем глубина пробега имплантируемых
частиц. Этот эффект применительно к ускоренным атомарным частицам был открыт на рубеже
60—70-х годов прошлого века в ходе исследования процессов при ионной имплантации
ускоренных ионов в твердые тела [1—3].
Известно, что ускоренные ионы при имплантации внедряются в мишень на глубину, не
превышающую даже в особых случаях 1—10 мкм, при этом плотность точечных дефектов
достигает максимума ближе к облучаемой поверхности по сравнению с максимумом
распределения внедряемой примеси. Столь малая величина пробега следовала из теории и в
огромном большинстве случаев подтверждена экспериментально.
Однако толщина модифицированных слоев для ряда комбинаций ион—металл может составлять
десятки—сотни микрометров, как это впервые было обнаружено в ионно-лучевом ускорителе типа
ИЛУ при имплантации в нержавеющую сталь ионов В+ с энергией 40 кэВ при различных
плотностях тока ионов [1].
Далее при исследовании толщины слоя, в котором при облучении кремния различными ионами
изменяются время жизни неосновных носителей заряда и постоянная решетки, обнаружили, что
изменения простираются до глубины в сотни мкм [2]. Затем было установлено изменение
дислокационной структуры монокристаллической кремниевой пластины толщиной в сотни мкм на
стороне, противоположной облучаемой [3]. Тогда и появился термин «эффект дальнодействия». С
тех пор выполнен ряд экспериментальных и теоретических работ, посвященных этому явлению, в
которых показано, что эффект дальнодействия проявляется как в ионно-имплантированных
металлах и сплавах, так и в полупроводниковых материалах [4—10].
18
Кроме того, оказалось, что происходит еще миграция примесей и перераспределение основных компонентов материалов с обеих сторон мишеней [11—14].
Таким образом, возможности ионной имплантации существенно расширяются благодаря наличию
для ряда комбинаций ион—мишень эффектов дальнодействия, что может иметь большое значение, например, в имплантационной металлургии, где толщина модифицированного слоя играет первостепенную роль для большинства технологических применений.
Необходимо также заметить, что, помимо прикладных задач, связанных с влиянием эффекта дальнодействия на упрочнение материалов, есть и связанные с этим эффектом задачи, напрямую относящиеся к проблеме управляемого термоядерного синтеза. В частности, речь может идти об аномальных механизмах накопления трития в материалах стенки, а также о неожиданных механизмах его проницаемости
через многослойные материалы.
В данной статье будут рассмотрены как теоретические модели, объясняющие дальнодействие, так и
многочисленные экспериментальные факты изменения свойств материалов на большой глубине при
ионной имплантации.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭФФЕКТА ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ
Теоретическое осмысление эффекта дальнодействия находится еще в начальной стадии [11]. Однако
многообразие проявлений этого эффекта указывает, что существует много механизмов дальнодействия. В
работе [6, 7] представлена математическая модель образования дефектной структуры в слоях, лежащих
дальше (за пределами) пробегов ионов в твердых телах. Согласно этой модели можно выделить две качественно различные области подповерхностного слоя, модифицированного ионной имплантацией (рис. 1). ПерI
n(z)
p(z)
II
Аномально глубокое расположение
ионно-наведенных дефектов:
— дислокационных петель
— пор
— точечных дефектов
Образования:
— точечные дефекты
— дислокационные
петли
S(0)
S(t)
Изменение структурно-фазового состояния
Образование структуры с высокой
плотностью дислокаций
— дислокации
— преципитаты
— поры
Аморфизация
Радиационно-наведенная
сегрегация
Радиационно-ускоренная диффузия
Легированный поверхностный слой
Подповерхностный слой (субслой)
Z
1—10
0
50—100 мкм
<1
Рис. 1. Схема физических процессов, происходящих в мишени после ионной имплантации: n (z) — концентрация легирующего
элемента; p (z) — пространственная плотность дислокаций; S (0) и S (t) — позиция поверхности мишени до и после ионной имплантации соответственно; z — расстояние от S (0) в глубь мишени: ⊕ — ионный поток; l — смещенный атом;  — имплантированный атом; — каскад смещения, атом отдачи, распыленный атом [6, 7]
19
Концентрация
вая область (I) расположена непосредственно за облучаемой поверхностью мишени и имеет измененный
мический состав (авторы называют его the alloyed surface layer, т.е. слой ионного легирования), толщина области I составляет Rp + (2—3)∆Rp, где Rp — проективный пробег ионов, ∆Rp — девиация проективного
бега. В этом слое образуются как точечные эффекты, так и дислокационные петли, а также имеют место
процессы ионного перемешивания, аморфизации, радиационно-индуцированной сегрегации, радиационноускоренной диффузии и распыления.
Необходимо также указать, что в этом слое при высокой дозе имплантации, как правило, образуется
высокий уровень механических напряжений.
Вторая область (II) — подповерхностный слой (субслой — sublayer), где обнаружены следующие
явления: аномально глубокое проникновение дефектов, наведенных ионным облучением, — дислокационных петель, пор, точечных дефектов; изменение структурно-фазового состояния; образование
структуры с высокой плотностью дислокаций.
Дислокации, образующиеся в процессе ионной имплантации, изменяют свойства поверхности,
водя обычно к увеличению микротвердости [12]. Кроме того, дислокации могут влиять на перенос имплантируемой примеси, в частности, атомов водорода. Так, в работе [15] показано, что атом водорода,
попавший на дислокацию, диффундирует вдоль линии дислокации гораздо быстрее, чем в объеме зерна.
В результате в мишени могут иметь место два распределения атомов водорода: одно распределение С(х)
характеризует поведение атомов водорода в объ1,2
еме зерна и естественно максимально в поверхноN(x)
стном слое, а другое — u(х) характеризует при1,0
месные атомы, диффундирующие по дислокациям, N(х) — полная концентрация атомов водорода.
C(x)
0,8
Это схематически представлено на рис. 2. По дислокациям водород может проникать сквозь образец и
0,6
выделяться у поверхности обратной, необлученной
стороны
образца. В этом случае наблюдается
0,4
шение концентрации примеси с обратной стороны
образца, но более глубокого проникновения
u(x)
0,2
си у облучаемой поверхности не видно, поскольку
мала концентрация примеси между дислокациями, а
4
6
2
8
0
10 на самих дислокациях не может быть много
Глубина, отн. ед.
сей, если только не происходит рост преципитатов
Рис. 2. Схема распределений концентрации примеси по глуби- на дислокациях (но при этом прекращается
не [12—15]: С(x) — примесные атомы, находящиеся в объеме
зия по дислокациям).
зерен (в основном у поверхности); N(x) — общая концентрация
Высокий уровень механических напряжений,
примесных атомов; u(x) — примесные атомы, находящиеся на
дислокации
возникающих в имплантированном слое, также
может быть причиной радиационно-ускоренного
переноса внедренной примеси. В этом случае напряжения, создаваемые внедренными атомами, как бы
расталкивают и выталкивают атомы примеси, увеличивая таким образом их проникновение почти на
порядок [8].
В ряде работ предлагаются и другие модели объяснения эффекта дальнодействия, например,
модель, основанная на возбуждении упругих волн. Волна может трансформироваться либо в ударную волну, либо распространяться как простая акустическая волна [11]. Согласно этим моделям
ион, сталкиваясь с поверхностью, производит своего рода микровзрыв, порождая высокочастотную
акустическую волну (такие волны называются гиперзвуковыми). Характерная частота этих волн —
порядка обратной длительности возмущения, связанного либо с локальным разогревом вещества в
треке иона («тепловой» пик), либо с преобразованиями дефектов, возникающих вдоль трека («пик
смещения»). Оба времени составляют обычно 10–11—10–12 с. Как правило, волны быстро затухают и
сами по себе не могут достичь обратной стороны пластины. Но встречая на своем пути протяженные
дефекты (например, дефекты упаковки), они вызывают их перестройку, которая сопровождается испусканием вторичных волн и т.д. (рис. 3). Возникает своего рода цепной процесс, который, в конечном счете, способен охватить всю толщу образца и привести к изменению его свойств. Оценки показали реальность такого сценария, по крайней мере, для кремния [14].
20
Ударная волна способна создавать дефекты,
Ион
инициировать смещение примесных атомов, освоКаскад атомных смещений
бождать их из ловушек и переводить из положения
замещения в междоузельное положение. ОпредеДефекты
ляющим фактором для этих процессов перестройки
является давление в ударной волне.
Таким образом, представления о волнах, генерируемых в процессе ионной имплантации, и об
индуцированных при ионной бомбардировке стаРис. 3. Цепной процесс генерации акустических волн. Для
тических напряжениях, возникающих в импланта- наглядности изображены только два дефекта. Масштаб не
ционном слое, лежат в основе теоретических мо- выдержан [11]
делей образования дислокационной структуры на больших глубинах, т.е. в основе механизма выноса
дислокационных петель, пор, точечных дефектов и примесей из приповерхностного слоя в глубину, что
не может быть обеспечено в результате обычной диффузии [8].
Фазовые переходы на больших глубинах изучены теоретически меньше, чем другие эффекты дальнодействия. Однако высказываются идеи о связи сверхдальнего проникновения радиационных дефектов
или примесей с возникновением в облучаемой среде неравновесного фазового перехода, индуцированного облучением [8].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ, СВЯЗАННЫЕ С ЭФФЕКТОМ ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ
К настоящему времени все экспериментальные результаты по изучению процесса дальнодействия
могут быть разделены на три группы. Первая группа включает работы, в которых отмечается существенное изменение физико-механических свойств (НV — микротвердости, износостойкости и т.д.) металлов и электрофизических свойств (удельное сопротивление, постоянная Холла и т.д.) полупроводников [2—4, 9, 16, 17]. Вторая группа включает работы, в которых рассмотрены процессы образования
дефектной структуры в материалах: аномально глубокое распространение дефектов, наведенных ионным облучением, т.е. дислокационных петель, пор и точечных дефектов [5—7, 18]; образование дислокационных структур и изменение структурно-фазового состояния в приповерхностных слоях глубиной много больше, чем величина пробега [17—19]. В третьей группе работ наблюдали перераспределение (сегрегацию) основных компонентов материалов и появление имплантируемого элемента с обеих сторон мишени [8, 11, 13, 14].
Имеющиеся литературные данные свидетельствуют о возможности широкого практического применения эффекта дальнодействия, особенно при решении проблемы ионной модификации поверхностных свойств конструкционных материалов, но оказываются недостаточными для установления однозначной зависимости процессов упрочнения поверхностных слоев при ионной имплантации от энергии,
плотности тока, сорта ионов, дозы облучения и других параметров. Причины наблюдаемых явлений во
многом не ясны. Для изучения этих процессов требуется комплекс ускорителей ионов, обеспечивающих
возможность широкого варьирования указанных параметров.
Известно, что ионная имплантация широко применяется в различных областях техники. Однако
она используется преимущественно там, где надо изменить свойства только тонких приповерхностных слоев. Переход к модификации свойств более толстых слоев с точки зрения традиционного
подхода требует создания установок на энергии ионов порядка мегаэлектронвольт, весьма дорогих и
громоздких.
Эффект дальнодействия открывает перспективы модификации свойств на большие глубины с помощью обычных установок ионной имплантации (в том числе как непрерывных, так и импульсных), которые входят в оснащение многих предприятий и научных учреждений [11, 20, 21].
Рассмотрим подробнее ряд исследований, относящихся к различным группам проявления эффекта дальнодействия. Впервые этот эффект был продемонстрирован М.И. Гусевой при облучении
нержавеющей стали ОХ16Н15М3Б ионами В+ с энергией 40 кэВ дозой 1022 м–2 при различных плот21
HV, кг/мм2
HV, кг/мм2
HV, кг/мм2
ностях тока. На рис. 4 представлено распределение микротвердости по глубине образца этой стали
при плотности тока ионов бора 140 мкА/см 2. Как видно на графике, наблюдается увеличение микротвердости поверхностного слоя толщиной ~200 мкм, причем в слое толщиной 20 мкм с помощью
электронографического анализа зафиксировано образование боридов железа. Увеличение микротвердости в 4 раза и образование боридов бериллия наблюдали также авторы работы [22] в результате имплантации в бериллий ионов В+. В качестве иллюстрации влияния режима облучения на величину микротвердости (HV) на рис. 5 представлена ее зависимость от плотности тока ионов В+. Как
видно на рис. 5, с ростом плотности потока пучка
500
ионов В+ от 70 до 400 мкА/см2 HV возрастает в ~2
400
и ~4 раза по сравнению с микротвердостью ис300
ходной стали.
Увеличение микротвердости на глубинах,
200
Исходный
превышающих проективные пробеги ионов, на100
блюдали авторы целого ряда работ [23, 24]. Эти
эксперименты показали, что изменение микро150
200
0
100
50
250
300
твердости существенно зависит от комбинации
d, мкм
Рис. 4. Распределение микротвердости по глубине в стали ион—металл, дозы облучения, вида облучения,
ОХ15Н16М3Б, ионно-легированной бором: j = 140 мкА/см2; температуры мишени, причем основное влияние,
Е = 40 кэВ; Тобл = 600 ºС, D = 1018 см–2 [1]
как свидетельствуют данные работ [1, 4, 8], на
толщину модифицированного слоя при имплантации
играет плотность ионного тока.
700
На
рис. 6 приводится изменение микротвердо600
сти по поперечному сечению образца ванадия, об500
лученного 10 импульсами дейтериевой плазмы.
400
Диапазон энергий ионов дейтерия в импульсе от
300
10 до 200 кэВ. Глубина увеличения микротвердоИсходный
200
сти, как видно на рис. 6, составляет ≈ 1 мм. Как
100
отмечают авторы работы [20], это значение существенно больше глубины диффузии дейтерия в
200
400
500
0
100
300
ванадий, которая даже при температуре плавления
j, мкА/см2
Рис. 5. Зависимость микротвердости стали ОХ15Н16М3Б, ванадия (2160 К) при воздействии 10 импульсов
легированной ионами бора, от плотности тока ионов В+: длительностью 100 нс не превышает 1 мкм. Они
D = 1018 см–2, Е = 40 кэВ [1]
считают, что одной из причин наблюдаемого уве250
личения микротвердости может быть образование
дислокационных петель внедрения и пор за счет
Облученный
коагуляции точечных дефектов, возникающих при
200
прохождении ударных волн через объем ванадия.
Кроме того, по их мнению, возникновение избы150
точных точечных дефектов может вызывать
Исходный
сверхглубокое проникновение дейтерия с после100
дующим образованием гидридов, что приводит к
увеличению микротвердости.
50
В работе [9] эффект дальнодействия был обнаружен в кристаллах р-кремния, перекомпенсированных железом Si<Fe>. Показано, что величина даль0
1,0
2,0
0,5
1,5
нодействующего эффекта ионной бомбардировки,
Расстояние от облученного края, мм
который наблюдался в изменении объемных элекРис. 6. Изменение микротвердости по поперечному сечению трофизических свойств кристаллов Si<Fe> после
образца ванадия, облученного импульсной дейтериевой плаз- бомбардировки их ионами Ar+ с энергией 40 кэВ в
мой: 10 импульсов по 10 нс каждый; мощность энерговыделе14
17
–2
ния при одном импульсе составляла 108 Вт/см2 [20]; толщина интервале доз от 10 до 10 см , зависит от интенсивности ионного облучения (плотности ионного
образца 1(—) и 2 мм (¡)
22
13
–3
13
-3
n,n,10
10 ,, см
см
r, 109, см–2
HV, МПа
Dm/t, мкг·м–1
тока выбирались в диапазоне 1013—1014 см–2·с–1). Эксперименты по акустоэмиссии позволили авторам сделать вывод, что причиной дальнодействия имплантации является взаимодействие ударных волн, возникающих при внедрении ускоренных ионов в кристалл, с дефектами кристаллической решетки. Наибольшие изменения произошли в образце, который подвергался облучению с максимальной плотностью ионного тока
j = 1·1014 см–2·с–1.
На рис. 7 представлены результаты исследования поверхностных механических свойств α-Fe и Cu [5]
после облучения. Отмечено, что ионная имплантация железа (α-Fe) ионами Ti+ и меди (Cu) ионами С+ с
энергией 40 кэВ в интервале доз D = 1016—1018 ион/см2 приводит к снижению интенсивности изнашивания
α-Fe на глубине 20—30 мкм и повышению микротвердости Cu в слое, толщина которого достигает 60 мкм.
С
помощью
послойного
электронно5
а
микроскопического исследования авторы этой ра3
боты обнаружили образование развитой дислока4
1
2
ционной структуры в поверхностных слоях ука3
занных материалов (α-Fe и Cu) при высокодозной
ионной имплантации. Ее особенностями являются
2
наличие в приповерхностном слое дислокационб
ных петель высокой плотности, радиус которых не
700
4
превышает 30 нм, убывание плотности петель (ко600
личества петель в единице объема) с удалением от
500
поверхности, уменьшение относительной доли
5
петель междоузельного типа и возрастание отно400
10
0
30
40
50
20
60
сительной доли петель вакансионного типа с увеd, мкм
личением расстояния от имплантированной по- Рис. 7. Зависимость интенсивности изнашивания α-Fe (а) и микроверхности, присутствие мелких образований, раз- твердости Cu (б) от расстояния до облученной поверхности при
меры которых не превышают разрешения элек- непрерывной ионной имплантации: U = 40 кВ; D = 5ž1016 ион/см2;
1 — Ti+; 2 — C+; 3 — интенсивность изнашивания исходного матронного микроскопа.
териала; 4 — С+; 5 — исходная микротвердость [5]
Природу таких образований установить не
удалось. По-видимому, это кластеры точечных дефектов или мелкие дислокационные петли. Вариация
дозы имплантируемых ионов не оказывала существенного влияния на общий характер дислокационной
структуры. Тем не менее следует отметить, что плотность дислокаций в модифицированном слое несколько выше при дозе ионов 1·1018 ион/см2.
На рис. 8 представлены зависимости плотности дислокаций и концентрации дислокационных петель по
глубине мишеней в α-Fe [5]. Видно, что в результате имплантации различных элементов (C, W, Fe) в α-железо
толщина модифицированного слоя может достигать десятков мкм и более. Анализ образующейся дислокационной структуры и ее элементов свидетельствует о пластической деформации поверхностных слоев образцов.
Характер дислокационных структур, как оценивают авторы работы, свидетельствует о том, что
24
8
величина пластической деформации в имплантиб
5
рованных слоях должна быть не менее 10%. Они
6
20
предполагают, что такая пластическая деформация
4
16
может быть обусловлена следующими причинами:
4
2
статическими напряжениями, вызываемыми тон3
12
0
ким легированным слоем мишени, и ударными
0 20 40 60 80
d, мкм
8
волнами, образующимися вокруг каскадов смеще2
а
ния при внедрении ионов. Такие статические на4
пряжения от тонкого легированного слоя будут
1
0
вызывать пластическую деформацию в припо40
80
120 160 200 240 280
верхностном слое, толщина которого на несколько
d, мкм
порядков больше толщины самого легированного Рис. 8. Зависимость плотности дислокаций (а) и концентрации
слоя. Природа возникновения статических напря- дислокационных петель (б) от расстояния до облученной пожений может быть различной: напряжения от то- верхности в α-Fe после имплантации ионов С+ (1, 2), Fe+ (3, 5) и
+
16
18
чечных дефектов вакансионного и междоузельно- W (4) дозами 10 (1), 10 (2, 3, 5), U = 40 кВ [5]
23
1
2
3
4
5
Рис. 9. Схема слоев, формирующихся в приповерхностной
области металлической мишени при ионной имплантации: 1 —
поток ионов; 2 — облучаемая поверхность мишени; 3 — легированный слой (толщина слоя не превышает 1 мкм); 3 + 4 —
слой с высокой концентрацией точечных дефектов и дислокационных петель (толщина слоя достигает несколько десятков
микрон); 3 + 4 + 5 — слой с наведенной дислокационной
структурой (толщина слоя достигает ста и более микрон) [5]
1,4
лицевая сторона
обратная сторона
Концентрация бора,
ат.%/нм
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
20
5
80
4
60
3
40
2
содержание бора
микротвердость
1
20
Микротвердость, кгс/мм2
Концентрация бора, ат.%/нм
40
25
30
35
Энергия ионов, кэВ
Рис. 10. Зависимость средней концентрации бора в приповерхностном слое толщиной 10 нм с лицевой и обратной сторон
фольги сплава пермаллой-79 от энергии имплантируемых ионов [11]: ® — лицевая сторона; ¡ — обратная сторона
100
6
15
0
30
20
50
60
40
Плотность ионного тока, мкА/см2
Рис. 11. Зависимость микротвердости и средней концентрации
бора в приповерхностном слое толщиной 20 нм с обратной
стороны фольги Cu—Ni от плотности ионного тока [11]: ® —
содержание бора; ¡ — микротвердость
0
24
10
го типов, от кластеров точечных дефектов и дислокационных петель, от выделений, образующихся в легированном слое, и т.п. (см. рис. 1).
Таким образом, при имплантации вклад в
упрочнение материалов могут вносить не только
тонкий легированный поверхностный слой, но и более глубоко лежащие слои материала, для которых
характерна развитая дислокационная структура.
Авторы работы [5] подчеркивают, что необходимо различать три модифицированных слоя, формирующихся в приповерхностной области металлических мишеней при ионной имплантации. Схема
такой приповерхностной трехслойной модифицированной структуры представлена на рис. 9, при этом
толщина слоев, в которых наблюдаются повышенная плотность дислокационных петель и измененная
дислокационная структура, имеет различную величину. Отметим, что качественно эта схема совпадает
с представленной на рис. 1.
До сих пор речь шла об изменении дефектной
структуры на больших расстояниях, приводящем к
изменению механических (микротвердости, износостойкости) и электрофизических свойств материалов (удельного сопротивления, постоянной
Холла) и стимуляции процессов комплексообразования. Однако оказалось, что происходит еще и
аномальная миграция примесей, а также перераспределение основных компонентов материалов с
обеих сторон образцов (сегрегация).
Проводилось сравнительное исследование распределения компонентов в поверхностных слоях
прокатанных образцов фольги толщиной 50 мкм
сплава пермаллой-79 и медно-никелевого сплава до и
после облучения ионами бора в зависимости от энергии ионов и плотности ионного тока. Получилась
поразительная картина [11, 14]. Изменяется не только концентрация основных компонентов сплавов с
обеих сторон фольги, но имплантируемый элемент
(бор) появляется на обратной стороне (рис. 10).
Характерно, что на обратной стороне примесь
(бор) концентрируется в тонком приповерхностном слое. В то же время на облучаемой стороне
профиль бора не соответствует теоретическому
распределению при его имплантации, а смещен в
сторону поверхности. Следовательно, наблюдается четко выраженная поверхностная сегрегация
компонентов на обеих сторонах фольги. Заметим,
что смещение на облучаемой стороне может быть
вызвано также процессом распыления.
На рис. 11 представлены результаты анализа
состава и микротвердости поверхностных слоев
фольги Cu—Ni с обратной стороны после имплантации ионов бора с дозой 1·1017 см–2 при разной плотности ионного тока (скорости набора дозы). Когда скорость набора дозы увеличивается, наблюдается
немонотонное повышение содержания бора в приповерхностных слоях, при плотности тока 40 мкА/см2
происходит его резкий подъем. Соответственно этой зависимости уменьшается значение микротвердости облученных образцов.
Итак, при ионном облучении наблюдается сквозное проникновение атомов бора и их «скопление» вблизи обеих поверхностей фольги. Такое проникновение, скорее всего, вызвано тем, что примесь мигрирует по
системе протяженных линейных и планарных дефектов (границы зерен, дислокации) [12, 25].
Нина Петровна Апа- Ирина Валерьевна Бо- Борис Николаевич Кол- Сергей
Николаевич
рина, ведущий инже- ровицкая, н.с., кандидат басов, старший н.с., Коршунов, и.о. нанер, лауреат премии им. ф.-м.н. специалист в об- лауреат премии им. чальника лаборатории,
И.В. Курчатова, ветеран ласти металловедения И.В. Курчатова, ветеран кандидат ф.-м.н., лауреат
атомной энергетики и тугоплавких металлов атомной энергетики и премии им. И.В. Курпромышленности
промышленности
чатова
Анжелина
Николаевна
Мансурова, старший н.с.,
кандидат ф.-м.н., лауреат
премии им. И.В. Курчатова, ветеран атомной энергетики и промышленности
Сквозное проникновение имплантированной примеси и сегрегация наблюдались и при облучении
сплава пермаллой-79 ионами фосфора. Наблюдаемые закономерности свидетельствуют о взаимосвязи
дальнодействующих структурных изменений и перераспределений компонентов, что приводит к аномальному глубокому переносу имплантируемой примеси.
Однако физическая картина наблюдаемых явлений далека от полного понимания. Теоретическая
интерпретация эффектов, согласно литературным данным, связывается с генерацией и движением дислокаций под действием напряженного приповерхностного слоя, образованием термоупругих напряжений и ударных волн, стимулирующих диффузию примеси как по междоузлиям, так и границам зерен.
Для четкого объяснения наблюдаемых явлений необходимы разносторонние дополнительные исследования с привлечением современных экспериментальных методов и глубокая теоретическая проработка.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В статье систематизированы результаты экспериментальных исследований и теоретические представления об эффекте дальнодействия. На его основе можно сделать следующие выводы:
I. Экспериментальные данные свидетельствуют, что круг явлений, где наблюдается эффект дальнодействия, довольно широк. Его обнаружили как в ионно-имплантированных металлах и сплавах, так и в
полупроводниковых материалах. Он состоит:
— в изменении дефектной структуры и свойств материалов (как механических, так и электрических) на расстояниях, протяженность которых, по меньшей мере, на порядок величины выше, чем глубина пробегов ионов в мишени в результате ионной имплантации согласно теории пробегов;
— в аномальной миграции — диффузии примесей и перераспределении основных компонентов материалов с обеих сторон образцов.
2. Единой теории, объясняющей эффект дальнодействия, в настоящее время не существует. Математические модели, предложенные для объяснения этого явления, основаны на образовании дефектных
структур (точечные дефекты, поры, дислокационные петли, структуры с высокой плотностью дислокаций, преципитаты), лежащих за областью торможения ускоренных частиц, которые стимулируют сквозное проникновение примесей через образец.
Механизм, обеспечивающий вынос указанных дефектных структур и примеси из области легированного (имплантированного) поверхностного слоя, связывают, с одной стороны, с генерацией упругих
волн, возникающих при внедрении ускоренных ионов в твердое тело, причем упругая волна может
25
Юрий Владимирович
Мартыненко, начальник
лаборатории, старший
н.с., доктор ф.-м.н., ветеран атомной энергетики и промышленности, лауреат премии им.
И.В. Курчатова
Мария Ильинична Гусева, ведущий н.с., доктор
ф.-м.н., профессор, лауреат Государственной премии СССР, лауреат премии им. И.В. Курчатова,
заслуженный
ветеран
ИАЭ, ветеран атомной
энергетики и промышленности, изобретатель СССР
Лев Иванович Иванов,
зав. лабораторией, профессор, доктор ф.-м.н.,
лауреат Государственной премии СССР, заслуженный деятель науки РФ
трансформироваться либо в ударную
волну, либо распространяться как простая акустическая волна, с другой стороны, с индуцированными при ионной имплантации статическими напряжениями в
имплантированном слое.
3. Эффекты дальнодействия могут
расширить возможности ионной имплантации. В то же время понимание этих эффектов еще не позволяет их широко использовать в технике ионной имплантации. Подбор условий имплантации для
изменения свойств на большой глубине в
каждом конкретном случае требует специальных исследований. Однако открывшиеся перспективы показывают актуальность изучения эффектов дальнодействия.
Авторы выражают благодарность В.С. Койдану за интерес к работе и ценные замечания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гусева М.И. Исследование распыления и имплантации высокоэнергетичных ионов в электромагнитном сепараторе протонов. Диссертация. М., ИАЭ, 1962.
2. Успенская Г.И., Абрамова Н.Н., Тетельбаум Д.И. и др. Физические основы ионно-лучевого легирования. Ч. 1. — Горький, 1972, с. 96—99.
3. Павлов П.В., Пашков В.И., Генкин В.М. и др. Изменение дислокационной структуры кремния при облучении ионами
средних энергий. — ФТТ, 1973, т. 15, с. 2857—2859.
4. Гусева М.И. Ионная имплантация в металлах. — Поверхность. Физика, химия, механика, 1982, № 4, с. 22.
5. Диденко А.Н., Козлов Э.В., Шаркеев Ю.П. и др. Дислокационные структуры приповерхностных слоев чистых металлов
после ионной имплантации. — Поверхность. Физика, химия, механика, 1989, № 3, с. 120—131.
6. Sharkeev Yu.P., Didenko A.N., Kozlov E.V. High dislocation density structures and hardening produced by high fluency pulsed
into beam implantation. — Surface and Coating Technology, 1994, vol. 65, p. 112—120.
7. Sharkeev Yu.P., Kozlov E.V., Didenko A.N. et al. The mechanisms of the long-range effect in metals and alloys by ion implantation. — Surface and Coating Technology, 1996, vol. 83, p. 15—21.
8. Мартыненко Ю.В. Эффекты дальнодействия при ионной имплантации. — В сб.: Итоги науки и техники. М., 1993, т. 7,
с. 82—112.
9. Павлов П.В., Демидов Е.С., Карзанов В.В. Эффект дальнодействия в кристаллах кремния, легированных железом, в зависимости от дозы и интенсивности облучения ионами аргона. — В сб.: Материалы 9-й Всесоюзной конференции «Взаимодействие атомных частиц с твердым телом». МИФИ, Москва, 1989, т. 2, с. 84.
10. Kozlov E.V., Tereshko I.V., Popova N.A. et al. Dislocation structure of different metals under treatment in plasma of glow discharge. — Jzv. Vuzov, Fiz., 1992, vol. 1, p. 14—21.
11. Тетельбаум Д.И., Баянкин В.Я. Эффект дальнодействия. — Природа, 2005, № 4, с. 9—17.
12. Мартыненко Ю.В., Московкин П.Г. Диффузия имплантированной примеси по дислокациям. — В сб.: Материалы 14-й
Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (ВИП-14). Звенигород, 30 августа—3 сентября,
1999, т. 2, с. 57—60.
13. Апарина Н.П., Боровицкая И.В., Васильев В.И. и др. Воздействие импульсной дейтериевой плазмы на поверхность ванадия и сплава V—4Ga. — Перспективные материалы, 2003, № 4, с. 55—61.
14. Баянкин В.Я., Гусева М.И., Тетельбаум Д.И., Гильмутдинов Ф.З. Сегрегация как проявление эффекта дальнодействия
при облучении ионами бора фольг сплавов пермаллоя-79 и Сu—Ni. — Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2005, № 5, c. 77—81.
15. Мартыненко Ю.В., Сковорода А.А. Проницаемость водорода сквозь поликристаллы и пористые материалы. — Изв. РАН,
2006, т. 70, № 8, с. 1204—1206.
16. Апарина Н.П., Гусева М.И., Данелян Л.С. и др. Воздействие стационарной водородной плазмы и ионов водорода на поверхность и накопление водорода в ванадии и его сплаве V—3,49Ga. — В сб.: Труды XIV Международного совещания «Радиационная физика твердого тела». Севастополь, 5—10 июня 2004 г., т. 1, с. 98—103.
17. Павлов П.В., Карзанов В.В., Демидов Е.С. Эффект ударной волны в кристаллах Si<Fe> при химическом травлении ионноимплантированного слоя. — В сб.: Материалы 9-й Всесоюзной конференции «Взаимодействие атомных частиц с твердым
телом». МИФИ, Москва, 1989, т. 2, с. 218.
18. Гусева М.И., Смыслов А.М. Эффект дальнодействия при имплантации ионов N+, B+ и С+ в титановый сплав. — Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2000, № 6, с. 68—71.
26
19. Боровицкая И.В. Исследование физико-химических свойств малоактивируемых сплавов на основе системы ванадий—
галлий для ядерной энергетики. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.ф-м.н. М., ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН. 2006. 25 с.
20. Боровицкая И.В., Дедюрин А.И., Иванов Л.И. — Перспективные материалы, 2004, № 2, с. 44—48.
21. Бойко В.И., Валяев А.Н., Погребняк А.Д. Модификация металлических материалов импульсными мощными пучками
частиц. — УФН, 1999, т. 169, № 11, с. 1243—1271.
22. Габович М.Д., Буденная Л.Д., Порицкий В.Я., Проценко И.М. Упрочнение стали ионной бомбардировкой. — В сб.: Труды III Всесоюзной конференции «Взаимодействие атомных частиц с твердым телом». Ч. 2. Киев, 1974, с. 136—139.
23. Ионная имплантация. Под ред. Дж. Хирвонена. — М.: Металлургия, 1985. 391 с.
24. Грибков В.А., Григорьев Ф.И., Калин Б.А., Якушин В.Л. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки
материалов. — М.: Изд. дом «Круглый год», 2001. 527 с.
25. Мартыненко Ю.В., Сковорода А.А. Проницаемость водорода сквозь поликристаллы и пористые материалы. — Изв. РАН,
2006, т. 70, № 8, с. 1204—1206.
Статья поступила в редакцию 26 декабря 2006 г.
Вопросы атомной науки и техники.
Сер. Термоядерный синтез, 2007, вып. 3, с. 18—27.
УДК 621.039.633
К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ СОХРАНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КРИОГЕННОЙ
МИШЕНИ В ПРОЦЕССЕ ЕЕ ДОСТАВКИ В ЗОНУ ТЕРМОЯДЕРНОГО ГОРЕНИЯ
И.В. Александрова, Е.Р. Корешева, Е.Л. Кошелев, Т.П. Тимашева, С.М. Толоконников (Физический
институт им. П.Н. Лебедева РАН), А.А. Белолипецкий (Вычислительный центр им. А.А. Дородницына РАН)
В статье обсуждаются результаты теоретических исследований, показавших, что разработка нанотехнологии твердотопливного
слоя внутри сферической термоядерной мишени — один из ключевых моментов в решении проблемы выживания мишени в
процессе ее доставки в зону термоядерного горения реактора инерциального синтеза. Показано, что метод FST, разработанный
в ФИАН, может служить надежной базой для развития указанной технологии. Представлены результаты экспериментальных
исследований, позволивших определить основные условия формирования методом FST высокодисперсных (нанокристаллических) слоев изотопов водорода (H2, D2, HD) внутри замкнутых незакрепленных микросфер, в том числе высокую скорость
охлаждения расплава (на уровне 1—50 К/с) и использование специальных добавок (изотоп водорода с более высокой тройной
точкой), стабилизирующих высокодисперсное состояние твердоводородного слоя.
A KEY TO THE PROBLEM OF CRYOGENIC TARGET SURVIVAL DURING ITS DELIVERY TO THE BURN AREA. I.V. ALEKSANDROVA, E.R. KORESHEVA, E.L. KOSHELEV, T.P. TIMASHEVA, C.M. TOLOKONNIKOV, A.A. BELOLIPETSKIY. In this
report, we discuss the results of theoretical and experimental researches, which have demonstrated that development of nano-layering
technology is one of the key moments of the target survival problem arising during its delivery in Inertial Fusion Energy (IFE) reactor. It
is shown that the free-standing target (FST) layering method developed at LPI can be used as a base for such technology development. It
has been well documented (theoretically and experimentally) that the main requirements to ultrafine (nanocrystalline) layers formation
by FST method are as follows: extremely high cooling rates (1—50 K/s) of melt from hydrogen isotopes (H2, D2, HD) inside moving
targets, and using special additives (hydrogen isotope with a higher triple point) stabilizing an ultrafine state of the layers.
ВВЕДЕНИЕ
Мировая программа исследований в области инерциального термоядерного синтеза (ИТС) нацелена на
построение к 2040 г. демонстрационного реактора, работающего в непрерывном режиме подачи топлива в
зону горения с частотой 0,1—10 Гц [1—3].
Классический вариант топливной мишени для реактора ИТС показан на рис. 1, а. Мишень представляет
1
а
б
3
5
5
44
2
Рис. 1. Схема криогенной мишени (а) и защитная капсула с мишенью, расположенной в специальном гнезде (б): 1 — стенка
оболочки; 2 — DT-слой; 3 — DT-пар; 4 — криогенная мишень; 5 — защитная капсула
27