Дегтяренко Свойства дефектов и их ансамблей, радиационная 2011

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

Н.Н. Дегтяренко

СВОЙСТВА ДЕФЕКТОВ И ИХ АНСАМБЛЕЙ, РАДИАЦИОННАЯ ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

Москва 2011

УДК 004.4:[530.145:620.3](075)

ББК 32.973.26.-018.227+22.314я7+22.37я7 Д26

Дегтяренко Н.Н.

Свойства дефектов и их ансамблей, радиационная физика твердого тела: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2011. – 200 c.

Пособие знакомит с типом, характеристиками и кинетикой отдельных дефектов и их ансамблей в твердых телах с различной структурой, в частности, в сверхпроводящих соединениях, что позволяет овладеть принципами и физическими основами явлений в твердых телах, обусловленных наличием дефектов структуры, методами оценки концентрации и создания дефектов при радиационном воздействии быстрых частиц, и использовать их в качестве инструмента исследования, модернизации и изменения свойств материалов.

Содержание данной книги базируется на изучении студентами дисциплин циклов ЕН и ОПД: математики, общей физики, теории упругости, квантовой механики, статистической физики, теоретической физики твердого тела. Пособие рекомендовано для студентов старших курсов.

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. О.В. Нагорнов

Учебное пособие подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ

ISBN 978-5-7262-1511-2

© Национальный исследовательский ядерный университет

«МИФИ», 2011

Редактор Т.В. Волвенкова Подписано к печати 15.12.2010 . Формат 60х84 1/16

Печ. л. 12,5. Уч.-изд. л. 13,25. Тираж 100 экз. Изд. № 1/4/1.

Заказ № 16

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 115409, Москва Каширское ш., 31.

ООО «Полиграфический комплекс «Курчатовский». 144000, Московская область, г. Электросталь, ул. Красная, д. 42

NKNKКлассификация дефектов простых веществ =KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=V= NKNKNKМеждоузлие==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NO= NKNKOKВакансии в ковалентных соединениях ==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NQ= NKNKPK=Характеристики точечных дефектов ==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NR= NKNKQK= Междоузлия в простых веществах и их характериJ

стики==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=N8= NKNKRK=Дефекты упаковки===KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=OO=

NKNKSK=Неупорядоченные сплавыK=Примесные дефекты==KKKKKKKKKKKKKK=OQ= NKNKTK= Упорядоченные сплавыK= Типы решеток с упорядоJ

чением=KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=OR= NKOKРавновесные и неравновесные дефекты ==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=O8= NKOKNKРавновесная концентрация точечных дефектов= в

простых веществах==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=PN= NKPK Дефекты упорядочивающихся сплавов =KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=P8= NKPKNKМетрика дальнего порядка в упорядочивающихся=

сплавах==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=QM= NKPKOKМетрика ближнего порядка в упорядочивающихся= сплавахK =Связь дальнего порядка и среднего значения = ближнего порядка в упорядочивающихся сплавах ==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=QP= NKPKPKТемпературная зависимость концентрация равновесJ

ных дефектов замещения в упорядочивающихся сплавах =KKKKKKKKK=QS= NKPKQK= Температурная зависимость концентрация равноJ весных вакансий в упорядочивающихся сплавах==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=RO= NKQK=Вопросы для самопроверки к разделу=N==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=RV=

Раздел O. Описание дефектов кристаллической струк-

туры в рамках теории упругости =KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=SN= OKNK=Основные положения механики сплошной среды==KKKKKKKKKKKKKK=SN= OKNKNK=Определения==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=SN= OKNKOK=Закон Гука==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=SR= OKNKPK=Закон Гука в обобщенном виде ==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=SS= OKNKQKОбщий вид уравнений в абсолютных смещениях ==KKKKKKKKKKKKK=SV= OKOK =Смещение атомов в кристаллической решетке с тоJ

чечными дефектамиK=Изменение объема =KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=TN=

P=

=

OKPK=Поведение дефекта во внешнем поле смещения ==KKKKKKKKKKKKKKKKK=TR= OKQK= Плотность внутренних силI= эквивалентных центру=

дилатации===KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=TS=

OKRK=Взаимодействие дефектов с внешним упругим полем ==KKKKKKKK=T8= OKSK=Упругое взаимодействие точечных дефектов==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=8N= OKTK= Непрерывное распределение точечных дефектов = в

упругом поле==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=8P= OK8K=Течение кристаллаK=Ползучесть==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=88= OKVK=Кинетика пор в кристалле==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=VP= OKNMK= Неустойчивость однородного распределения точечJ

ных дефектов =KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=V8= OKNNK=Дислокации =KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NMN= OKNOK=Пластическая деформация кристаллов==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NMV= OKNPK=Одномерная модель дислокации=–=модель Френкеля– Конторовой==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NNO= OKNQK=Вопросы для самопроверки к разделу=O=KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NNV= Раздел P. Радиационные дефекты =KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NON= PKNK=Методы создания радиационных==дефектов=KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NOO= PKNKNK=Облучение в реакторе==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NOP= PKNKOK=Облучение на ускорителях тяжелых ионов ==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NOR= PKNKPK= Облучение в высоковольтном электронном микроJ

скопе==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NOV= PKNKQK= Основные преимущества и недостатки экспрессивJ

ных методов радиационного испытания==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NPM= PKOK= Первичные процессы взаимодействия частиц и излуJ

чений с твердым телом==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NPN= PKOKNK= Общие представления о процессах взаимодействия=

частиц с твердым телом ==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NPN= PKOKOK=Взаимодействие нейтронов с веществом ==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NQN= PKOKPK=Взаимодействие ускоренных ионов с веществом ==KKKKKKKKKKKKK=NQQ= PKOKQK= Распределение по глубине проникновения внедренJ

ных ионов и дефектов I=созданных ионами==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NRM= PKOKRK=Взаимодействие электронов с веществом=KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NR8= PKOKSK=Взаимодействие=g-квантов с веществом==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NSM= PKPK=Основные условия воспроизводимости явлений реакJ торного повреждения при облучении на ускорителе ==KKKKKKKKKKKKKKKKK=NSN= PKQK=Вопросы для самопроверки к разделу=P==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NSQ=

Q=

=

Раздел 4.=Теоретическое сравнение структуры случай-

ных полей радиационных дефектов, образующихся при облучении быстрыми частицами в пленочных об-

разцах =KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NSR= QKNK= Каскад атомных столкновенийK= Индивидуальные хаJ

рактеристики==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NSR= QKOK= Случайное поле дефектовK=Статистика повреJ

ждений==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NTO= QKPK=Модель разреженных каскадов==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NTR= QKQK=Модель плотных каскадов ==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NT8= QKRK=Параметры имитации==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=N8M= QKSK=Имитационные соотношения=для модельных спектров=

ПВА==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=N8P= QKTK= Детальные расчеты характеристик поля повреждений=

при облучении тонких пленок сверхпроводниковNR=А

ионами и нейтронами................................................................... N8R= QKTKN=Учет субкаскадной структуры повреждений………………N8S=

QKTKOK=Расчеты для монохроматического ионного облучения…KKN8T= QKTKPK=Расчет спектров ПВА для нейтронного облучения………NVM=

QK8K=Методика определения временного ресурса сверхпроJ

водящих соединений=KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NVO= QKVK=Вопросы для самопроверки к разделу=Q==KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=NVV= Список литературы KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK=OMM=

=

R=

=

=

ВВЕДЕНИЕ

Физика твердого тела= –= одна из областей наукиI= определяJ ющих развитие современного технологического обществаK=В сущноJ стиI=вся армия ученыхI=инженеров работает над наилучшим испольJ зованием твердых материалов при проектировании и изготовлении= самых разнообразных механических и электронных компонентовI= необходимых в таких областяхI=как связьI=транспортI=компьютерная= техникаI= а также фундаментальные исследованияK= ИсследователяI= работающего в области физики твердого телаI=интересуют такие маJ териалыI= как металлы и сплавыI= полупроводникиI= диэлектрики и= магнитные материалыK=Многие из них относятся к кристаллическим= веществамW= их атомы расположены такI= что образуют правильную= трехмерную решетку= –= периодическую структуруK= Нарушения идеJ альной периодичности могут быть обусловлены химическими приJ месямиI= незаполненными= EвакантнымиF= атомными узламиI= атомами= внедрения=Eв промежутках между узламиFI=а также дислокациямиK=Во= многих случаях подобными нарушениями или отклонениями= от строгой периодичности существенным образом определяются физиJ ческие свойства кристаллических твердых телK=Управляя концентраJ цией подобных дефектов или целенаправленно создавая ихI= можно= получать= …наперед заданные»= свойства твердых телK= Такая технолоJ

гия играет первостепенную рольI= напримерI= в области полупроводJ никовой микроJI= наноэлектроникиK= Другой класс материаловI= предJ ставляющий интерес для физики твердого телаI =– =это стеклообразJ ныеI=или аморфныеI=материалыK=Атомы в таких материалах располаJ гаютсяI =в общем так жеI =как и в жидкостяхI =т.еK =они упорядочены= лишь в пределах нескольких межатомных расстояний от каждого= атомаI=принятого за центральныйK=Иначе говоряI=для стекол характеJ рен ближний порядок в расположении атомовI= а не дальнийI= как в= кристаллической структуреK=

NK =…Физика неидеального твердого тела»= EФНТТF= изучает= физические явления и процессыI= обусловленные или возникающие= при высоком== содержании дефектов в твердом телеI=пытается выраJ ботать предсказательные теорииI= определяющие характеристики=

S=

=

твердого телаK=Все== области применения и=…вынужденного»=испольJ зования твердого тела так или иначе определяются дефектами струкJ турыK=Простейшие примерыW=

J=проводимость идеального твердого тела равна нулюX=

J= критический ток в сверхпроводниках равен нулю в отсутJ ствие пиннинга системы вихрей на дефектах структурыK=

OK Важным направлением является контролируемое введеJ ние в матрицу примесей и дефектовI= а также радиационноJ стимулированное изменение структурыK= Начало интенсивного разJ вития этого направления соответствует появлению полупроводникоJ вых приборовK= Это направление можно назвать= …Физической техноJ логией»I= поскольку конструирование и создание новых приборов =и инструментария исследователей определяется разработкой детальJ ной физической картины процессовI= интерпретации измеряемых веJ личинK= Естественное уменьшение размеров изучаемых объектов = и новые измерительные возможности привели к появлению нового= направления=…Наносистемы»K=

PK Контролируемое введение в матрицу примесей и дефекJ тов имеет и физический интерес для анализа применимости тех или= иных моделей явлений в конденсированных средахK= НапримерI= для= анализа механизма сверхпроводимости в соединениях со структурой=

АNRI=ВТСПK=

Ряд проблемных задач физики конденсированных систем= имеет фундаментальный характерW==

·предсказание механических свойств реальных тверJ дых телI=в том числе в интенсивных радиационных поляхX=

·электрические свойства и явления в конденсированJ ных системах с высоким содержанием дефектовX=

·механизмы сверхпроводимостиI=в том числе=–=высокоJ температурнойI=улучшение критических параметров сверхпроводниJ ковK=

Успешное решение хотя бы ряда этих фундаментальных фиJ зических задач определяет сроки и реальное внедрение в экономику= страны новых практических задачW=

J= нового поколения более эффективных и экономически боJ лее выгодных ядерных реакторовX=

T=

=

J=появление сначала экспериментальныхI=а затем и промышJ ленных термоядерных реакторовX=

J=использование новых композитных и наноматериаловX= J=создание экономически выгодных передающих сверхпровоJ

дящих энергосистемK=

Это небольшое перечисление дает представление о целесоJ образности фундаментальных исследований в области изучения= свойств реальных конденсированных средK=

=

8=

=

РАЗДЕЛ 1

ВИДЫ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ДЕФЕКТОВ И ИХ СВОЙСТВА. ДЕФЕКТЫ В ПРОСТЫХ ВЕЩЕСТВАХ

1.1.Классификация дефектов простых веществ

Определение: Любые нарушения или искажения в регулярноJ сти расположения атомов кристалла считают дефектом кристалJ лической решеткиK=

Характерные параметры дефектов= Eэнергия образованияI= энергия диффузии и дрKF==определяются структурой и связями атомов= матрицы (кристаллаFK=

Различают следующие виды отдельных дефектовK=

NK= Тепловое движение атомов= –= отклонение от положения равJ новесия по определенному законуK= ОбычноI= это термодинамически= равновесный вид дефектаI=имеющий динамический характерK=

OK= Междоузельные атомы и вакансииK Эти дефекты имеют тенJ

денцию быть равновеснымиK= Однако характерное время релаксации= к равновесному состоянию может быть достаточно большимK= ДейJ ствительноI= процесс диффузии дефектовI= определяющий их распреJ деление в твердом телеI= = является термоактивируемым процессомI= поэтому при=недостаточно больших температурах часто встречаютJ ся==неравновесные состояния систем=EрисKNKNFK=

Значительное отличие систем точечных дефектов= –= это их= взаимодействие между собой=Eчерез атомы матрицыFI=что приводитI=

вчастностиI==к образованию их комплексов=EансамблейFI=конденсата=

вматрицеI=т.еK=равновесное состояние системы точечных дефектов в= большинстве случаев является неоднородным в пространстве= (напримерI=вакансии=–=ансамбль вакансий=–=пораFK=

PK= Примесные атомыK=ПримесиI=даже при малой концентрацииI= могут существенно влиять на свойства кристаллаI= напримерI= они=

вносят заметный вклад в проводимость полупроводников=Eплотность= атомов в конденсированных системах=NMOO= J=NMOP= атомов/смPI=конценJ

трация дефектов в зависимости от предыстории получения образца= меняется от=NMNO=J=NMOM=атомов/смPFK=

=

=

V=

=

=

=

РисKNKN= = Схематическое изображение точечных дефектов = в арсениде галлия=As=d~K=s=–=вакансииI=f=–=междоузельные атомыI=В=–= примеси=

QK= Граница кристаллаK=Этот дефект приводит к искажениям даJ же внутри матрицы и к нарушению кристаллической симметрии= в областяхI=примыкающих к границеK=

RK= ПоликристаллыW==зерна или кристаллиты с разной ориентациJ ейK= Объем зерен больше физически представительного объемаK= ПоJ перечный размер зерен порядка=NMJP= ¸=NMJS см=Eрис=NKOFK=Свойства поJ ликристаллов обусловлены как самими кристаллическими зернамиI= так и межзёренными границамиK= Если зерна малы и ориентированы= хаотичноI=то в поликристаллах не проявляется анизотропия свойствI= присущаяI=напримерI=монокристаллуK=Если есть определенная ориенJ тация зеренI=то поликристалл является текстурированным и обладает= анизотропиейK=

NM=

=