第五章能量淀积(2013)课件

1、第五章 能量淀积分布理论和辐射损伤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。 初级碰撞初级碰撞：入射离子与靶原子 次级碰撞次级碰撞：反冲靶原子与靶原子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。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

2、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）二、建立移位原子数方程l 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。l 讨论能量为E的一个初级撞

3、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。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

4、）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 EdTdEdEdEdTTNE0)(EdTTENE0)(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0Ed、Ed2Ed、2EdE三个能量区间，于是dTTNTENEENE0)()(1)(0000)() () () ()(EEEEdTTNdTTNTdTNEdTTENdTTNEENE0)(2)()()

5、()()(2)(022EdEdEdEEddTTNdTTNTdTNEEN现在考察在不同能量区间N（T）的行为：当TEd时，次级碰撞不能引起移位，即 N（T）=0 （对于0TEd）当EdT2Ed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

6、原子，都仅仅能产生一个移位原子，即 N(T)=1 （对于EdTEc=11KeV， N(E)=Ec/2Ed=220（个） Sb Si 因为E=100 KeVEc=121KeV，N(E)=E/2Ed=2000（个）4. 损伤情况： B离子走过1，产生220/3000=0.075 移位原子/ Sb离子走过1，产生2000/457=4.4 移位原子/ 所以B注入的缺陷为点缺陷（分散、稀疏的点缺陷） Sb注入的缺陷为重迭的缺陷，造成无序（椭球状）根据K-P模型，定性分析B和Sb离子入射到Si的损伤情况 以100KeV B和Sb离子注入到Si中为例总述 (轻) B 离子在硅中有较长射程，大部分能量用于电子

7、阻止，与核碰撞能量很小，产生移位原子数很少，大约每走1产生0.07个移位原子。形成孤立的点缺陷，稀疏地分布于离子走过的路程上，这样的损伤不会形成无序状态。 (重) Sb 离子在硅中射程较短，它的能量几乎全部用于核阻止，每走过1产生4.4个移位原子，这些移位原子互相重迭，形成椭球状缺陷，造成严重损伤，甚至破坏晶体结构形成无序状态。根据K-P模型，定性分析B和Sb离子入射到Si的损伤情况 以100KeV B和Sb离子注入到Si中为例重离子（Sb)Rp轻离子（B）损伤区畸变团5.4 低能注入离子在固体中的低能注入离子在固体中的能量淀积空间分布能量淀积空间分布 能量淀积的过程要发生碰撞和原子移位，移位的结果就是靶的结构被改变、被破坏，也就是靶被损伤了。 能量淀积的过程同时就是辐射损伤的过程。能量淀积的结果就是靶的辐射损伤。 辐射损伤分布与能量淀积分布有关系。但二者又不是完全等同。相当部分的损伤分布可以用能量淀积分布来描述，但有另一部分损伤是与能量淀积分布不成正比的。能量淀积与损伤能量淀积与损伤 损伤分布移位原子数的分布 淀积能量移位原子分布损伤情况 淀积能量