能量淀积PPT课件.ppt

在离子注入基本物理过程的定量描述中 人们感兴趣的两方面问题 粒子同固体发生相互作用的两方面 离子注入在靶内的分布 即射程分布 反冲核 靶原子 的行为及由此引起的注入层的损伤分布 能量淀积分布 1 缺陷与损伤 晶体材料中的缺陷 如果晶体中的某些原子不在其晶格平衡位置上或格点处出现原子空位 相对于完美晶格而言 我们就说晶体材料存在缺陷 导致缺陷出现的诸多原因由于外部因素的作用导致晶格缺陷的出现 我们就说出现了晶格损伤 辐照损伤 宇宙射线 射线 射线 电子束 光束 中子束 离子束 离子辐照损伤 因离子注入过程造成的材料结构损伤 2 固体中的一般缺陷 缺陷种类1 点缺陷 0维缺陷 空位 间隙原子 杂质 及其积团 如空位团 2 线缺陷 1维缺陷 位错 刃型位错 螺型位错 棒状位错 3 面缺陷 2维缺陷 晶界 相界 堆垛层错等 3 损伤与能量淀积 离子辐照损伤最基本的形式 移位原子损伤与能量离子辐照损伤过程 始终伴随着能量的传递能量的传递与分布行为 能量淀积 损伤分布 4 能量淀积分布理论 是讨论能量淀积按空间分布的理论 是定量讨论离子注入物理过程的另一个重要问题 七十年代初 winterbon sigmund sanders等人提出和发展 两个方法 WSS的多次矩方法适用于低能范围B K Brice的直接法适用于高能范围计算能量淀积分布的两种互补的方法 5 5 1本章涉及的基本概念 离子在固体中的慢化和能量淀积入射离子进入固体靶后 通过与靶物质中的电子和原子相互作用 逐渐损失它的动能 直至在靶中停止下来 这一过程称作为离子在固体中的慢化 离子运动的角度 如果从能量转化的角度来看 入射离子进入固体靶后 通过与靶物质中的电子和原子相互作用 逐渐把它的动能传递给靶原子和电子 这种能量传递的过程称作为能量淀积过程 不同类型的入射离子在不同靶中淀积能量的速率是不同的 轻离子 10 100ev A重离子 keV A 6 弹性碰撞与非弹性碰撞 弹性碰撞 总动能守恒 不发生能量形式的转换 能量淀积于原子运动的过程 非弹性碰撞 总动能不守恒 发生能量形式的转换 能量淀积于电子运动的过程 7 原子移位和移位阈能 原子移位 是指入射离子与固体中的原子弹性碰撞后 将一部分能量传递给固体中的晶格原子 如果晶格原子从碰撞中获得足够大的能量 这原子将离开晶格位置进入 间隙 这种现象称作为原子移位 移位阈能Ed 被撞出原子要发生移位必须获得的最小能量 8 移位阈能 不仅与固体的性质有关 而且与晶格原子反冲方向有关 移位阈能Ed 断键能量 原子键合能量 克服势垒所做的功 与反冲方向有关 由于移位阈能与与反冲方向密切相关 因此通常所说的移位阈能仅仅是一个平均值 硅的移位阈能 22eV在离子注入领域 对于一般的材料 则公认为取25eV为移位阈能的平均值比较恰当 9 离子在固体中的碰撞的不同阶段 离子与物质相互作用过程可分为初级碰撞和次级碰撞两个阶段来讨论 初级碰撞 入射离子与靶原子次级碰撞 反冲靶原子与靶原子 10 级联碰撞 在离子注入中 初级撞出原子从初次碰撞所获得的反冲能量 远远超过移位阈能 因此 它会继续与晶格原子碰撞 再产生反冲原子 这种不断的连续碰撞的现象就称为级联碰撞 初级撞出原子 在初次碰撞中被入射离子撞出的晶格原子 也称为初级反冲原子 次级撞出原子 在初级碰撞后相继被初级撞出原子撞出的晶格原子 也称为高级反冲原子 11 级联碰撞与辐射损伤的关系 辐射损伤与碰撞级联的扩展的关系极为密切当级联碰撞密度不大时 会产生许多孤立的 可分开的点缺陷 当高密度的级联碰撞发生时 高密度的点缺陷结团形成移位峰 可见 级联碰撞扩展越大 辐射损伤程度越严重 12 5 2离子注入过程中靶材的几种常见效应 级联碰撞移位峰热峰电离峰 13 级联碰撞 持续时间 10 13 10 11秒作用过程 离子 M1 直接与靶原子 M2 碰撞 初级碰撞 次数少 7 8次 反冲原子 M2 与靶原子 M2 碰撞 次级碰撞 真正的级联碰撞 次数很多 数量可多达几千次 直接后果 产生大量移位原子例如 一个100KeV的离子入射到移位阈能为Ed 25eV的靶中 移位原子数 E 2Ed 2000 个 如果有1017 1018离子入射到靶里 将会对材料的结构产生大面积的严重破坏 14 移位峰 形成过程 如果某一能量的离子穿过材料时 在离子走过的某一小区域里发生激烈的级联碰撞 产生大量移位原子 造成此区域内原子密度急剧减少 而区域周围原子密度大幅度上升 可以同时存在几个移位峰 而且移位峰是瞬间存在 当移位峰产生时 它的局域压力 应力 增大 可以达到1011达因 cm2以上 因为压力很大 移位峰很快塌陷 部分原子会复合 回到平衡位置 但相当一部分移位原子复合不了 产生复杂的缺陷 包括大量空位和间隙原子 还会形成大缺陷 如位错 层错等 这些缺陷尺寸可能会达到几十埃 对于重离子而言 当M1 100 能量为10 60KeV时即容易出现移位峰效应 15 16 热峰 在某一局部区域内 当T Ed时 不发生移位 而是使原子在平衡位置的热振动加大 使局部区域内的热量或者说是温度急剧上升 例如在 2nm的Cu靶球体内有1000个Cu原子 一个离子在这区域里失去了300eV的能量 碰撞时间为5 10 12秒 若1eV可以使1个Cu原子温度上升1 1605 104K 则该区域内平均一个原子能得到0 3eV 3 4 103K的热量 对于Cu 其熔点为1086 所以局部区域发生熔化现象 热峰不稳定 经过3 10 11s T下降500 左右 温度下降速率1013 1014K s 剩下无序区域 冶金学上 要想得到非晶态金属 冷却速度要达到106 109K s以上 而且需要多次重复这种急冷过程 才能获得比较好的非晶态金属 对于热峰效应过程 降温速度远远快于冶金上的淬火温度变化 所以非常容易获得局部的非晶态 17 电离峰 效应 如果重离子能量很高 例如几个MeV 那么电子阻止能量损失可达Se 104eV nm 这时电子阻止损失同核阻止相比处于绝对优势 这将引起离子轨迹临近原子的大量电离 从而形成正离子或点电荷正离子 结果在碰撞体中形成高密度的正电荷区 正电荷间存在很强的排斥力 因而会在碰撞体中留下一个空位区 或者说是在离子运动轨道上产生一条空位富集的轨迹或一个应力区 这种状态将很快地引起周围原子的激烈运动 严重时可引起材料爆炸 粉碎 破坏材料 对金属 没有影响 可以很快复合一个电子而回到原处 对绝缘体意义较大 形成很强的内部电场 有可能引起爆炸 对高分子材料 易使键断裂 解离 18 以上四种效应对材料本身所导致的结果有 形成大量缺陷 严重损伤区结构发生变化 出现其他相结构 如产生亚稳相 不平衡相 如Ag Cu 一般不能形成合金 冶炼角度 离子注入 可形成合金 亚稳态 过饱和固溶体沉积现象 分凝现象对于固溶度小的组合 热峰 移位峰的局部熔化后会出现掺杂元素的分凝现象 对于固溶度大的组合 在局部熔化过程中 离子会从浓度高处很快地向浓度低处扩散 出现沉积现象 19 实际应用中 对半导体 四种效应及缺陷 损伤 不希望 尽量避免和消除 对材料表面改性 缺陷 硬化相 非晶态的存在 将导致a 硬度增加 耐磨性增加b 化学性能 耐腐蚀 个别缺陷除外 c 光学性能 改变折射率 灵敏度 20 2019 12 29 21 5 3简单的级联移位理论 描述级联移位现象最重要的物理量 是移位原子数N E 定量描述级联移位现象的理论 称为级联理论 根据级联移位理论可以计算移位原子数 最简单的级联移位理论是Kinchin Pease模型 22 一 Kinchin Pease模型的6个基本假设 碰撞原子的特性类似于硬球 即能量传递截面由硬球模型决定 级联过程看作是一系列原子间的二体弹性碰撞 每次碰撞是彼此无关的 认为固体中的原子排列是无规则的 忽略晶体的周期性结构所引起的空间关联 当碰撞中传递的能量小于电离能量限 Ec 时 所有的碰撞是弹性碰撞 忽略引起电子激发的能量损失 当晶格原子接受的能量T小于阈能Ed时 不发生移位 大于阈能Ed时则一定发生移位 这就是说 移位几率可以表示为Pd T 0 对于TEd 由于初级撞出粒子能量E远大于移位能量Ed 因此可忽略移位原子所消耗的能量Ed 即 E E T E为初级撞出粒子能量 E 为碰撞后散射粒子的能量 23 二 建立移位原子数方程 虽然上述模型是过分简化的物理图像 但作为初步估算仍可在此模型的基础上进行移位原子数的计算 然后进一步讨论修改上述假设所得到的更精确的结果 讨论能量为E的一个初级撞出原子开始的级联碰撞 设在级联碰撞中产生的移位原子数为N E 如果初级撞出原子传递给被撞出原子的能量为T 被散射的初级撞出原子能量为E E E T 由该初级撞出原子引起的级联碰撞导致的移位原子数应该满足关系 N E N E T N T 注意 初级撞出原子 在碰撞中传递给晶格原子的能量T 可以从0至E取任意值 各种值都有一定的几率 24 如果已知不同传递能量的几率 便可通过上式计算出N E 例如 在碰撞中 能量为E的初级撞出原子 传递给被撞原子的能量为 T dT 的几率为d 此处d 和 是两原子碰撞的微分截面和全截面 根据硬球假设 有同理 能量为E的初级撞出原子被散射后能量为 E dE 的几率为于是 能量为T的次级反冲粒子所产生的移位原子平均数应为被散射的初级撞出原子所产生的移位原子平均数为被散射的初级撞出原子所产生的移位原子平均数为 25 所以 能量为E的初级撞出原子引起的级联碰撞导致的移位原子总数 是上两式之和 即利用改变积分变量的方法 可使该方程右边二个积分具有相同的形式 如令T E T 于是为求解该积分方程 可将积分区间划分为0 Ed Ed 2Ed 2Ed E三个能量区间 于是 26 现在考察在不同能量区间N T 的行为 当T Ed时 次级碰撞不能引起移位 即N T 0 对于0 T Ed 当Ed T 2Ed时 晶格原子具有两种可能结果 如果传递给晶格原子的能量超过Ed 但仍小于2Ed 这时被撞击原子离开它的晶格位置而发生移位 去撞击的这个次级撞出原子则留在空位上 它的剩余能量转化为热能 如果相反 去撞击的这个次级撞出原子传递给晶格原子的能量小于Ed 则被撞击原子不发生移位 无论哪种情况出现 在上述两种情况下 最后都只有一个不在格点位置的运动着的移位原子 所以 动能在Ed和2Ed之间的一个初级或次级撞出原子 都仅仅能产生一个移位原子 即N T 1 对于Ed T 2Ed 27 把这两种情况带入总移位原子数方程 可得到将此方程两边同乘以E 然后同时对E微分 可把方程转变为微分方程很容易就看出 该微分方程的解为N E CE其中常数C的确定可将解带入积分方程中 便可得到 28 所以 能量为E的初级撞击原子所产生的移位原子总数为 对于2Ed E Ec 此处Ec为假定里约定的电离发生能量限 其意义在于 当E Ec时 电离不发生 即非弹性碰撞能量损失可忽略 仅有弹性碰撞发生 当E Ec时 大于Ec的能量部分仅仅产生电离损失 因此式中对N有意义 有贡献的能量上限值应为Ec 所以 当能量大于Ec时 移位原子总数为 对E Ec 29 按照K P模型 级联碰撞移位原子数和初级粒子能量之间的函数关系如图所示 30 三 对Kinchin Pease模型的几种修正 K P模型得到了移位原子数的粗略公式 虽然它根据的物理模型很简单 但它得出了一个重要的结论 即 移位原子数N E 与初级撞出原子能量E之间存在线性关系 在以后更复杂的理论讨论中 它们之间的这个线性关系仍然一直存在 只不过是其比例因子需要修正 所以 该式在实际应用中依然是估计产生辐射损伤的一个很有用的公式 31 K P模型对实际物理情况的描述过于简化 它忽略了级联过程中的许多重要因素 因而肯定要存在一些问题 这些问题是 原子间的相互作用不能看作硬球碰撞 而应由某种相互作用势描写 移位阈能不是各向同性的 碰撞中存在非弹性碰撞损失能量和替位碰撞等 所以 许多学者对这一模型做了不少改进和修正 获得了更精确的结果 三 对Kinchin Pease模型的几种修正 32 三 对Kinchin Pease模型的几种修正 1 林哈德的修正 考虑实际作用势 T F势得到的公式为 对于E Ed 此处 E 是对K P公式的修正因子 称为损伤效率或移位效率 变化范围从0 1 随不同的相互作用势而异 33 三 对Kinchin Pease模型的几种修正 2 Robinson的修正 考虑非弹性碰撞能量损失 Ein是级联碰撞中非弹性能量损失 可见 级联碰撞中移位原子数N与弹性碰撞能量损失成正比 34 三 对Kinchin Pease模型的几种修正 3 更一般的方法 根据反冲密度方程导出的N E N E 0 42 E 2Ed 4 考虑晶体结构的修正晶体结构 产生聚焦效应或沟道效应对于聚焦效应 在聚焦效应过程中 离子能量聚焦到原子列上 碰撞在原子列首位 移位原子产生在原子列的末尾 且移位原子数为1 移位原子数比假设无规则排列计算的结果要小 形成永久性缺陷 不易复合 恢复 考虑聚焦效应 沟道效应对N E 移位原子数 的影响 35 与晶体结构的关系 沟道或聚焦效应 大多数靶都有一定的晶体结构 会出现沟道效应和聚焦效应 什么是聚焦效应 由规则的原子排列 将迫使相继的碰撞