Способ определения энергетических параметров межузельных атомов в металлах Советский патент 1990 года по МПК H01J37/285 

О) tsD

ОЭ

«|й 20-100 кэВ при температуре, превы- ш1 1ющей температуру конца дальней миграции единичных межузельных атомов дпя чистого металла и при флюенсе облучения- равном величине,при ко- тррой средняя концентрация точек по.пиенноЙ яркости достигает уровня концентрации примесей, при этом изменение температуры осуществляют стуенчато с шагом 10-30 К и скоростью

,1-1,0 К/с при охлаждении образца riocne каждого шага до его начальной температуры на время, достаточное для восстановления контраста изобра- ения и его фоторег страции, строят

истограмму Л N д f (Т), где 5 N д приращение точек повьппенной яркости.

- температура, рассчитывают энерию

и ш io.

миграции комплексов меж- з ел ьный атом-атом примеси и энергию

иК

r«ntTr « Ч r rt ft tf f t- rj IT3S

«

la

kT l

(K J

(4-4) .

2Т

V

Са- а NV

|0

t,)

Е .

E + k т .In f-l - -0- 1 Ma waifc I V a k1

где a - межатомное расстояние в патрице; RO - средний радиус кривизны вершины острия; Т - начальная температура образца в момент времени t to; температура максимума распределения /3 N д,- f(T); t .- полное время подъема температуры; N dNflT - суммарное число точек повышенной яркости, появившееся на автономном изображении за время Cot - концентрация примесей в материале; (ь - скорость подъема температуры; л)- число перескоков комплексов межузельный атом-атом примеси в единицу времени; п , - параметр структуры; , 1/(Rp) ; - частота колебаний атомов в комплексе. Способ имеет расщиренные функциональные возможности за счет определения искомых параметров для металлов, имеющих до 0,2-0,5 ат.% примесей, 2 ил.

Изобретение относится к радиационной физике твердого тела и может быть использовано, в частности, для определения энергетических параметров межузельных атомов в металлах методом автоионной микроскопии Способ заключается в следующем: облучают образцы - острия в автоионном микроскопе собственными ионами энерги

1

Изобретение относится к радиаци- физике твердого тела, физике радиационных повреждений и антоион- ной микроскопии и может быть исполь- з)эвано для исследования влияния раз- личного рода примесей на подвижность м жузельных атомов в металлах, ана- возможности образования и тем- п ратурной стабильности комплексов м|ежузельный атом-атом примеси, в

частности для определения энергетических параметров межузельных атомов в| металлах методом автоионной микро- скопии.

Целью изобретения является расти- р|ение функциональных возможностей с|пособа за счет определения искомых гараметров для металлов, имеющих до

С

,2...О,5 ат.% примесей.

На фиг,1 приведена диаграмма из- г енения температуры образца в процес cje его нагрева. На нем: опти- 4альная температура образца, при которой достигается атомарное разрешение микроскопического изображения - (TO 10-80 К); Tj, - температура, при которой на автоионном изображении поверхности образца начинает фиксироваться появление точек повышенной яркости; Т1 - температура образца, при которой прекращается прирост числа точек повышенной яркости на автоионном изображении (йК т О); ЛТ - шаг подъема температуры; несоответствующий лТ временной шаг; t g- время фотографической экспозиции автоионных изображений; Э Э, первая, вторая и т.д. фотографические экспозиции автоионного изображения до появления на нем точек повышенной яркости; Э, Э мо(«.с - фотографические экспозиции, соответствующие условию dNflr 5 0.

На фиг.2 приведена гистограмма

прироста числа точек повышенной яркости iflN на автоионнон изображс - нии одной и той же поверхности в lipoцессе ступенчатого нагрева образца.

При облучении образцов-острий из металлов с небольшим уровнем примесей ионами матрицы энергией 20...100 кэВ в кристаллической решетке материала образцов разиваются каскады атомных Столкновений, в которых генерируются точечные дефекты: вакансии и межузель- ные атомы. Если температура образца при облучении вйпие значения, соответ- JQ стоянной скоростью /J необходимо пе- ствующего концу дальней миграции (су- риодически прерывать с тем, чтобы дя по спектру изохронного отжига) межузельных атомов ТКА« (для вольфрама, например, это ,110 К), то все они, обладая высокой подвижностью, либо выходят на внешнюю поверхность, либо аннигилируют с вакансиями, либо оседают на стабилизирующих их стоках. Такими эффективными стоками межузс-ль- ных атомов в металлах являются неко 2о электрического тока, характер его из- торые примеси. Одни примеси легче менения устанавливается заранее на связывают межузельные атомь, другие - сильнее, а част: примесей вообще не соединяется с ними. При этом возникают вопросы, какие именно примеси 25 и подъем температуры до и после эк- в данном металле и насколько стабили- спозиции занимает в силу инертности зируют межузельные атомы, с какими системы порядка нескольких секунд примесями межузельные атомы легче при высоких температурах. В ножке мигрируют в комплексах при той или микроскопа во время всей эксперимен- иной температуре, а какие комплексы, о тальной процедуры находится охлажхранение состава, т.е, не вносит новых примесей.

После облучения образца его начи- нают нагревать. Характер подъема температуры обусловлен тем фактом, что начиная приблизительно с 100 К теряется атомарное разрешение автоионного микроскопа. Поэтому нагрев с посфотографировать автоионное изображение при температуре оптимальной для получения атомарного разрешения. 15 Скорость спада и подъема (возвраще-f ния) -температуры - должна быть .существенно выше (более чем на порядок) р. Нагрев образцов осуществляют путем пропускания через дужку с острием

эталонных образцах.Время .t фотографической экспозиции автоионньгх изображений составляет / 0,1-0,001 с, спад

наоборот, распадаются при нагреве материала, установление численных значений соответствующих температур и энергий связи комплексов и их миграции.

Согласно предложенному способу, образцы облучают при температуре offrt КАМ поэтому в их объеме межузельные атомы могут присутствовать только в комплексах с атомами примесей. Такие комплексы, располо женные у отображаемой в автоионном микроскопе поверхности образца, дают на автоионном изображении конт, раст в виде точек с локально высокой яркостью. Таков же контраст от единичных межузельных атомов. Облучение образцов ведут до флюенса, при котором определяемая с помощью автоионного микроскопа объемная концентрация точек повышенной яркости С9т (т.е. указанных комплексов) сравнивается с концентрацией примесей Ся, В этом случае можно считать, что все .примеси связаны с межузель. ными атомами. Использование же для облучения образцов собственных, ионов металла обеспечивает необходимое со35

дающая образец жидкость. Временные интервалы jT составляют 10-гЗО К, а шаг по времени /) с порядка 1-20 с. (эти значения подбираются экспериментально). Конечная температура Т составляет 0,3-0,5 от температуры плавления и соответствует ситуации, когда в результате очередного шага нагрева образца с выбранной скоро-

Q стью , число N точек повышенной яркости на фиксируемом автоионном , изображении не меняется, т.е. ). В результате имеется набор (п,., -t-1) автоионных изображений одной и той же поверхности образца (п (и,акс число подъемов температуры со ско- ростью /i ) . Беря последовательно-пары соседних по экспозиции изображений, методом цветового выделения устанавливают для каждорЧ пары приращение точек повышенной яркости и N,.. После этого строят гистрограмму iN ят f/T или, что то же, f(n) (см.фиг.2).По гистограмме определяют суммарное число точек повы-

50

дцс

шенной яркости N

hii

/IN,т и

температуру Т,., соответствующую максимуму в-распределен ИИ JN jj f (Т) .

стоянной скоростью /J необходимо пе- риодически прерывать с тем, чтобы электрического тока, характер его из менения устанавливается заранее на и подъем температуры до и после эк- спозиции занимает в силу инертности системы порядка нескольких секунд при высоких температурах. В ножке микроскопа во время всей эксперимен- тальной процедуры находится охлажхранение состава, т.е, не вносит новых примесей.

После облучения образца его начи- нают нагревать. Характер подъема температуры обусловлен тем фактом, что начиная приблизительно с 100 К теряется атомарное разрешение автоионного микроскопа. Поэтому нагрев с постоянной скоростью /J необходимо пе- риодически прерывать с тем, чтобы электрического тока, характер его из- менения устанавливается заранее на и подъем температуры до и после эк- спозиции занимает в силу инертности системы порядка нескольких секунд при высоких температурах. В ножке микроскопа во время всей эксперимен- тальной процедуры находится охлажсфотографировать автоионное изображение при температуре оптимальной для получения атомарного разрешения. Скорость спада и подъема (возвраще-f ния) -температуры - должна быть .существенно выше (более чем на порядок) р. Нагрев образцов осуществляют путем пропускания через дужку с острием

стоянной скоростью /J необходимо пе- риодически прерывать с тем, чтобы электрического тока, характер его из- менения устанавливается заранее на и подъем температуры до и после эк- спозиции занимает в силу инертности системы порядка нескольких секунд при высоких температурах. В ножке микроскопа во время всей эксперимен- тальной процедуры находится охлажэталонных образцах.Время .t фотографической экспозиции автоионньгх изображений составляет / 0,1-0,001 с, спад

5

дающая образец жидкость. Временные интервалы jT составляют 10-гЗО К, а шаг по времени /) с порядка 1-20 с. (эти значения подбираются экспериментально). Конечная температура Т составляет 0,3-0,5 от температуры плавления и соответствует ситуации, когда в результате очередного шага нагрева образца с выбранной скоро-

Q стью , число N точек повышенной яркости на фиксируемом автоионном , изображении не меняется, т.е. ). В результате имеется набор (п,., -t-1) автоионных изображений одной и той же поверхности образца (п (и,акс число подъемов температуры со ско- ростью /i ) . Беря последовательно-пары соседних по экспозиции изображений, методом цветового выделения устанавливают для каждорЧ пары приращение точек повышенной яркости и N,.. После этого строят гистрограмму iN ят f/T или, что то же, f(n) (см.фиг.2).По гистограмме определяют суммарное число точек повы-

0

дцс

шенной яркости N

hii

/IN,т и

температуру Т,., соответствующую максимуму в-распределен ИИ JN jj f (Т) .

5U05623

При реализации способа необходим

меж;| онтрсшь исходного предположения о toM, что к поверхности образца мигрируют именно комплексы межузельной i TOM-атом примеси, а не чисты узельные атомы. Он осуществляется в микрозондовом анализаторе (автоион- troM микроскопе с атомным зондом) на образцах,подвергнутых облучению в 1 дентичных условиях и предваритель- яо нагретых с линейной скоростью /ь ро температуры в раине Испаряя импульсно с поверхности образца

образование (частицу, комплекс), от- д уравнения (2) учитывает образование

комплексов, второй член - их диссоциацию, третий - уход комплексов на стоки (D д, - козффициент диффу- зии комплексов)Начальные условия (в момент вреветственное за формирование на автоионном изображении пятна повышенной яркости, определяя время его пролета до .детектора, устанавливают химиче- кую природу образования. Если на

20

втектор приходят и ион матрицы и ио

д

пЬимеси - значит, к поверхности при нагреве образца мигрируют указанные комплексы; в противном случае при регистрации исключительно ионов материала матрицы - межузельные атомы.

Затем проводится расчет искомых эйергетических параметров межузель- ii.rx атомов - энергии Е их связи

комплексах с атомами примесей,и энергии Е jgj миграции комплексов.

Для вывода соответствующих аналитических вьфажений целесообразно использовать кинетические уравнения , диффузии:

;ji) ..,o.c,c,D,c,k5 -с/с,с„

(I)

с-с„ - 3tc,« - J faCjak,

(2)

X.C ,.д -0

(3) 45

at

-,UD,C;C

(A)

В них C(t) - средняя концентрация пс|движньпс межузельных атомов; Cg(t) - ср|едняя концентрация ваканский;Сд(с)- ср|едняя концентрация примесей сорта C-,g(t) - средняя концентрация подвижных комплексов межузельный ат|ом - атом примеси; f 4 fir; зоны рекомбинации; se(t)

1с.

п.

е /kT(t) кинетический

коэффициент диссоциации комплексов;

л., д- частота колебаний .атомов в комплексе (порядка дебаевской); п, - координационное число; DJ - коэффициент диффузии межузельных атомов;

0 и ц - коэффициенты.

Первый член в правой части уравнения (1) соответствует рекомбинации межузельных атомов и вакансий, второй - уходу межузельных атомов на стоки. Первый член в правой части

Cv(V C(g С

vo

1C

const j 0 const ( -

0)

Ca(ti) - О

e

const, где

ia«

С д - полная нцентрация примесей. D (t) , где а - параметр решетки, Е - энергия миграции межузельных атомов.

В случае низких температур диссоциация мала;

40

-iCT)

,

При высоких температурах диссоциация велика:

1(T) 0,„ k

iO 1

а . V е

ETa/J TCi)

где -J ЧИСЛО перескоков атомов в единицу времени; сила стоков дефектов j (j i, ia).

Рассмотрим случай высоких темпе- ратур, когда велика диссоциация и затруднен процесс комплексообразования: а/С;;Са JtC |д. Пренебрегая членом в уравнении для Са, получим

. C,(t).,n.(t-t,) . ,,( При этом из (О и (2)-5 C..,(t) - б о- Ce,(t).

«

тогда: C,.(t) - S. 1 -v,,.n,(t -Ч„) в «- / f -fr,(-..))

Скорость вывода комплексов 1в| на поверхность будет (считаем, что, кро15

5 (О D.k:.«C,,e«a,kL.e - ott |U-t;)3

la

}«

X l ,|.«n,(t - t,) е-Е « Пнтт-; - « 3)

I

Число комплексов, вьппедших на по-верхность за время t ,

I

«b(t bL t )--r dt .-|-.L 6.aNi«k.«(t,- t,) X

-V«f T,ti-(,).(5)

ЧП

V(t)/2 - объем полусферы иглы; Из равенства (5), где N , «(t) опk f.g, ; ределяется экспериментально, полуRо - средний радиус острия.чаем выражение для энергии миграции

комплексов

....

kT, 1 - 1; (t,- t,) L ---ff-j ).,(t,- t,) . (6)

ЁТ «

(здесь t -, фиксированное время измерения Nj(t)),.

Вторым условием можно взять равенство

D.-«(T

; м Md КС и

)k

. где - температура максимума зависимости N , e,(t) - см.фиг.2. Тогда получаем выражение для энергии связи комплекса

/iv15 град/с, V 10 1/с, п 10, k « - 1

ч....

Е. „ - (- -frijl-) (7)RO И 50 Нм. В предположении , что

все наблюдавшиеся точки повышенной яркости соответствуют комплексам м узельный атом - атом примеси,по

Предложенный способ опробован

все наблюдавшиеся точки повышенной яркости соответствуют комплексам ме узельный атом - атом примеси,по

на образцах из технически чистого 55 уравнениям (6) и (7) получены сле- вольфрама с уровнем примесей по- дующие значения искомых энергетичерядка 0,2 ат.% (основные примеси - щелочные металлы). Образцы облучены ионами W энергией 50 кзВ при

ских параметров:

вТв 0,98 эВ;

,..,(

«

ме поверхнрстн, нет других стоков);

0

5

0

комнатной температуре, Микрозондо- вый анализ природы частиц, выходящих на поверхность образца, при его нагреве с линейно возрастающей температурой, не проводился. Флзоенс об лучения составил 510 ион/м . Установленная объемная концентрация точек повьшенной яркости была равна концентрации примесей. Температура анализа образцов в автоионном микроскопе Т опт 78 К, tx 60 с, N

-vIOS

ia

/iv15 град/с, V 10 1/с, . 1/с, п 10, k « - 1/R-,

ч....

RO И 50 Нм. В предположении , что

RO И 50 Нм. В предположении , что

все наблюдавшиеся точки повышенной яркости соответствуют комплексам меж- узельный атом - атом примеси,по

уравнениям (6) и (7) получены сле- дующие значения искомых энергетических параметров:

вТв 0,98 эВ;

Ев 2.2 эВ.

Формула изобретения

Способ определения энергетических параметров межузельных атомов в металлах , включающий облучение образцов - острий в.автоионном микроскопе собственными ионами энергией 20...100 кэВ, нагрев образцов с ли- |Q нейно возрастающей температурой при одновременном последовательном контроле автоионных изображений, подсчет числа 4 N jj появляющихся на изображениях точек повьппенной ярко- щ сти, построение температурной зависимости Л Njj- и расчетное определение энергетических параметров межузельных атомов, отличающий- с я тем, что, с целью расширения-п

функциональных возможностей за счет определения искомых параметров для металлов, имею11р{х до 0,2...0,5 ar.Z примесей, облучение образцов проводят при температуре, превьтаюн{ей темпера- гв туру конца дальней миграции единичных межузельных атдмов для чистого метал- ла, и при флюенсе облучения равном величине, при которой средняя концен- трация точек повыпенной яркости до- ,Q стигает уровня концентрации примесей, при этом изменение температуры осуществляют ступенчато с шагом 4Т « 10. ,.30 К и скоростью 0,1.-..1,ОК/с при охлаждении образца после каждого шага до его начальной температуры на время, достаточное для восстановле- ния контраста изображения и его фо- торегистрации, а в качестве искомых параметров рассчитывают энергию ,

ЗБ

1405623

10

миграции комплексов межузельный атом атом примеси и.энергию Ejj, связи этих комплексов по следующим соотношениям:

С -kT Т t,-t|

-«InCfcR I-a kl.vCt.-t,)

и

E-,-E7e,rkT,«,eb .

где а - межатомное расстояние в матрице;

RP - средний радиус кривизны вершины острия;

Те - начальная температура образца в момент времени t-t,; йвкс температура максимума распределения N(1,. (Т); t - полное время подъема температуры;

N . « ТлНцт - cyiMMapHoe число точек повьш1енной яркости, появившихся на автоионном изображении за время t ; C(t - концентрация примесей в материале ;

./ - скорость подъема температуры;

- число перескоков комплексов межузельный атом - атом при- меСи в единицу времени; п - параметр структуры; К ,„- 1/(R );

(,- частота колебаний атомов в , комплексе.