Методические указания для самостоятельной работы студентов по дисциплинам «Воздействие излучений на вещество» и «Электрофизические методы обработки материалов», страница 6

Распределение радиационных дефектов в твердых телах в общем случае не совпадает с распределением ионов, поскольку бомбардирующий ион  проходит в мишень  глубже  области, где наблюдается максимальная передача его энергии атомам мишени. Поэтому следует ожидать, что максимум радиационных дефектов расположен ближе  к поверхности, чем максимум распределения внедренных ионов.

Первые модели образования дефектов в твердых телах были предложены Кинчином, Пизом, Снайдером, Нейфельдом, Сандерсом (G.H.Kinchin, R.S.Pease, W.S.Snyder, J.Neufeld, J.B.Sanders) и др. Для среднего числа смещенных атомов N(E) различные теории в пределе E>>E_d дают соотношение одного и того же вида N(E) =aE/(2E_d), где E – энергия иона, E_d – средняя энергия, необходимая для смещения атома из устойчивого положения в решетке, a– коэффициент, характеризующий эффективность смещений (с учетом энергетических потерь на электронное торможение). Тяжелые ионы при столкновении могут передать атомам решетки больше энергии, чем легкие. На рис. 3 показана схема образования радиационных дефектов легкими и тяжелыми ионами.

Рис.3. Схема образования радиационных повреждений

(развитие каскадов атомных смещений) для (а) легких ионов

(М₁<M₂) и (b) тяжелых (M₁>M₂)

Каналирование. Неожиданным результатом экспериментов, проводимых на кристаллических мишенях, оказалось существование "хвоста" распределения внедренных атомов по глубине мишени (до 500 нм^/5 при имплантации ионов ⁸⁵Kr c энергией 40 кэВ в Al, что в несколько раз превышает средний проективный пробег ионов). Этот эффект не проявляется для аморфных тел. Моделирование на ЭВМ пробегов ионов в кристаллах показало, что примерно одна из 10⁴ траекторий ионов особенно длинна. На основе результатов эксперимента и численного моделирования было установлено, что такие траектории расположены вдоль наиболее открытых "каналов" между плотно упакованными рядами атомов. Эффект был назван эффектом каналирования. Например, в гранецентрированной кубической (ГЦК) решетке наиболее открытыми являются каналы между плотно упакованными рядами атомов в направлении <110> (так обозначается семейство направлений вдоль биссектрис углов XOY, XOZ, YOZ при условии, что оси координат совпадают с ребрами элементарной ячейки ГЦК решетки рис. 4).

Как следует из численных расчетов, каналируемой является лишь незначительная часть ионов, которые сразу, или после некоторого количества столкновений с атомами мишени, попадают в соответствующий канал. Для различных направлений каналирования существуют предельные (или критические) углы каналирования, под которыми ион может входить и двигаться внутри канала. Эти углы не превышают нескольких градусов.

б

Рис.4. Иллюстрации к эффекту ионного каналирования: а – элементарная ячейка ГЦК решетки (показаны некоторые из двенадцати направлений семейства направлений <110> и участок одного из открытых каналов – жирные линии),   б – траектория движения атома в канале при Y<Y_c   (Y_c  – критический угол каналирования)

Каналируемый атом отдает свою энергию многим тысячам атомов, не создавая радиационных повреждений. В силу этого каналирование влияет на профили распределения ионов и радиационных дефектов по глубине мишени. Наличие "хвостов" на распределениях внедренных ионов, простирающихся на глубину, в несколько раз превышающую R_p, иллюстрирует рис. 5.

Открытые каналы постепенно "забиваются" внедряемыми ионами и при флюенсах, превышающих 10¹⁵ см^-2, эффект каналирования исчезает.