СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 6
РАЗДЕЛ I
ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА НЕУПОРЯДОЧЕННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ n-Ge, КОМПЕНСИРОВАННОГО ОБЛУЧЕНИЕМ БЫСТРЫМИ НЕЙТРОНАМИ РЕАКТОРА
Глава I. ОБЛАСТИ РАЗУ ПОРЯ ДОЧЕІ1ИЯ В ГЕРМАНИИ.
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. 14
1.1.Модели разупорядоченных областей в полупроводниках, облученных ядерными частицами высоких энергий 15
1.2. Стадии образования РО в германии при облучении ядерными частицами высоких энергий 17
2. Модели электронных свойств полупроводников с РО 23
2.1 Примесная проводимость на постоянном токе.
Слабое легирование 23
2.2. Примесная проводимость на постоянном токе.
Сильное легирование 26
Глава II. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕРМАНИЯ,
ОБЛУЧЕННОГО БЫСТРЫМИ НЕЙТРОНАМИ РЕАКТОРА 33
2. Методика измерения образцов 33
2.1. Измерение проводимости 33
2.2 Измерение коэффициента Холла образцов Ge 36
2.4 Методика облучение образцов в вертикальных каналах
реактора ВВР-М 38
Глава 111. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СВОЙСТВ n-Ge, КОМПЕНСИРОВАННОГО ОБЛУЧЕНИЕМ БЫСТРЫМИ НЕЙТРОНАМИ РЕАКТОРА 44
3.1. Характер прыжковой проводимости n-Ge<Sb>, облученного
2
быстрыми нейтронами реактора в области слабого легирования 44
3.2. Влияние флуктуационных уровней на характер прыжковой проводимости п-ве с разупорядоченными областями 51
3.3. Характер прыжковой п-Се<8Ь>, облученного быстрыми нейтронами реактора проводимости в области сильного легирования 53
3.4. Характер прыжковой проводимости Се<8Ь>,
конвертированного облучением в р - тип 57
3.5 Модель прыжковой проводимости в ве, конвертированном облучением в р-тип 62
3.6 Концентрационная зависимость параметров прыжковой проводимости Се, легированного сурьмой, компенсированного облучением быстрыми нейтронами реактора 66
3.6.1. Влияние деформации, созданной разупорядоченными областями на характер концентрационной зависимости прыжковой проводимости п-Се 70
3.7 Особенности влияния разупорядоченных областей
на температурную зависимость коэффициента Холла в п- Се<8Ь>, компенсированном облучением быстрыми нейтронами реактора 75
Выводы к главе III раздела I 82
РАЗДЕЛ II
ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА НЕУПОРЯДОЧЕННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ УВаСиО -КЕРАМИКИ, КОМПЕНСИРОВАННОЙ ОБЛУЧЕНИЕМ БЫСТРЫМИ НЕЙТРОНАМИ РЕАКТОРА
Глава I ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 84
Глава II МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ВТСГІ ПРИ
ОБЛУЧЕНИИ БЫСТРЫМИ ИЕЙТРОІІАМИ РЕАКТОРА 90
3
2 Методика измерения образцов
2.1 Измерение магнитной восприимчивости и критического тока ВТСП - керамики
2.2. Методика измерения характеристик упругости и внутреннего трения
3. Методика облучения образцов. Облучение образцов в низкотемпературной гелиевой петле реактора ВВР-М ГЖЯФ РАН.
4 Методика отжига
5 Программное обеспечение для проведения исследований Глава III ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОТЖИГА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УВа2Си307^ КЕРАМИКИ, ОБЛУЧЕННОЙ БЫСТРЫМИ НЕЙТРОНАМИ PEAK ГОРА
1. Режимы отжига образцов YBa2Cu307.$ керамики
1.1. Исследование влияния отжига на температурную зависимость удельного сопротивления образцов ВТСП - керамики в несверхпроводящей фазе
1.2 Влияние условий отжига на концентрацию кислорода ВТСП - керамики
1.3 Термоіравиметрическое исследование особенностей деградации образцов керамики состава YBa2Cu307^
в результате отжига и облучения быстрыми нейтронами реактора
1.4. Влияние кислорода на характер изменения массы образцов УВа2Си307_я -керамики в результате отжиїд. Качественный анализ
1.5. Модель кинетики заселенности кислородных позиций элементарной ячейки керамики состава YBa2Cu307.* в зависимости от условий отжиг а
1.6 Уравнение баланса концентрации атомов кислорода ^ на узлах кристаллической решетки
2. Влияние полей локальных упругих напряжений на электронные свойства УВа2Сиз07^ - керамики
2.1 Влияние упругих напряжений на транспортный критический ток в облученных гранулированных ВТСП
* 2.2. Модель дозовой зависимости транспортного
критического тока .1С(Ф) УВа2Сз07^ - керамики, облученной быстрыми нейтронами реактора
2.3 Влияние облучения быстрыми нейтронами реактора на характер распределения дислокаций межзеренной границы ВТСГІ-керамики 3 Исследование спектров неупругой релаксации образцов УВа2Сз07.5 -керамики
3.1. Модель низкоэнергетического спектра + неупругой релаксации УВагСзСЬ-з -керамики
3.2 Расчет величины амплитуды пика Рз внутреннего трения
ВЫВОДЫ к главе III раздела II
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
116
120
123
123
130
140
141
145
148
150
155
5
ВВЕДЕНИЕ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертационного исследования низкотемпературной проводимости неупорядоченных систем на основе легированных полупроводников, компенсированных облучением, в значительной степени обусловлена возможностью практического применения полученных данных о характере изменения радиационной стойкости полупроводников при облучении быстрыми нейтронами реактора для прогнозирования и повышения радиационной стойкости полупроводниковых приборов и материалов, а также для инженерных расчетов при выборе оптимальной защиты изделий электронной техники, работающих в условиях космоса, в искусственных радиационных полях вблизи ядерных силовых и исследовательских установок.
Вместе с тем облучение является инструментом варьирования параметров случайно-неоднородного потенциального рельефа в широких пределах путем выбора типа, энергии частиц, а также температуры облучения. Это особенно важно при моделировании свойств аморфных полупроводников, представляющих собой сильно неупорядоченные системы. Уникальные свойства этих материалов способствовали разнообразию их практического применения.
Однако, несмотря на широкое практическое использование, до сих пор до конца не ясны многие фундаментальные физические свойства аморфных материалов. В литературе широко обсуждались новые возможности для создания управляемой модели аморфных полупроводников, которые возникают при облучении кристаллических полупроводников частицами высокой энергии [1 ]. Как было установлено в этой работе, компенсация п-Се облучением быстрыми нейтронами реактора на качественном уровне действительно позволяет моделировать важнейшие кинетические свойства аморфных полупроводников. Идея о возможности получения разу порядочен ия решетки с заданными пара-
6
метрами потенциального рельефа при облучении нейтронами высокой энергии [1] была впоследствии экспериментально подтверждена в работах [2,3]. Структурные особенности разу порядочен ных областей (РО), образующихся, в основном, при облучении быстрыми нейтронами реактора, способствуют образованию потенциального рельефа, возникающего при их перекрытии. Такой рельеф обладает рядом существенных отличий по сравнению со статистически симметричным потенциальным рельефом, который обусловлен случайно -неоднородным распределением в матрице атомов химической примеси или точечных дефектов [4,5]. Как показано в диссертации, эти отличия наглядно проявляются, например, при сравнении концентрационных зависимостей параметров прыжковой проводимости в полупроводниках с РО и точечными дефектами.
Указанные расхождения связаны в первую очередь с принципиально различным характером пространственного распределения в невозмущенной матрице кристалла точечных дефектов, входящих в состав РО и изолированных дефектных центров, случайным образом расположенных в решетке. Так, в пределах одной разупорядоченной области дефекты, ее составляющие, распределены коррелированным образом: в центре РО -дефекты вакансионной природы, по периферии - комплексы вакансий и межузельных атомов [5]. В настоящее время исследования корреляционных эффектов в неупорядоченных системах далеки от завершения, однако ясно, что без детальной разработки теории этих эффектов (в том числе эффектов пространственной корреляции) полное понимание низкотемпературной проводимости кристаллических полупроводников невозможно [5].
Однако, несмотря на различный характер изменения электронных свойств облученных полупроводников, при рассмотрении поведения электронов и других элементарных возбуждений в таких веществах, можно отметить некоторые особенности, позволяющие рассматривать их как неупорядоченные системы. Прежде всего это обусловлено двумя общими для всех неупорядоченных систем свойствами силового поля: отсутствием пространственной пе-
7
риодичности потенциальной энергии носителей заряда и наличием в ней случайного слагаемого [6].
Очевидно, в силу сказанного, для неупорядоченных систем должны быть характерны общие закономерности изменения основных параметров, проявляющиеся в эксперименте.
Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) на базе керамических иттриевых купратов со структурой перовскита УВа2СизОб.7> обладающие широким спектром необычных физических свойств, природа которых в настоящее время еще окончательно не выяснена, также являются неупорядоченными системами.
Так, в работе [7] показано, что электронная система ВТСП проявляет признаки локализации носителей, характерной для неупорядоченных систем, уже при самой малой степени разунорядочения, вводимой облучением быстрыми нейтронами реактора. Это позволило в [8] высказать предположение о фундаментальном характере взаимосвязи локализации и возникновения сверхпроводимости в этих системах .
Для проверки этого предположения требуется проведение всестороннего исследования изменения структуры, состава кристаллической решетки, а также характера изменения электронной системы, вызванного облучением быстрыми нейтронами реакгора.
Вместе с тем, интерес к исследованию влияния облучения быстрыми нейтронами реактора на электронные свойства неупорядоченных систем на базе и гтриевых ВТСП обусловлен также возможностью широкого практического применения этих материалов.
Благодаря достаточно высоким критическим параметрам (критический ток ,ГС, критическая температура Тс) интерметаллические сверхпроводники с такими кристаллическими структурами наиболее перспективны для практического использования, в том числе и в радиационных полях (сверхпроводящие магнитные системы для термоядерных реакторов и ускорителей, элементная база для высокочувствительных приборов и т.д.).
Физические свойства этих классов материалов чрезвычайно сильно зависят от их степени разупорядочения. Например, от расположения атомов разного сорта, прежде всего кислорода, по соответствующим узлам кристаллической решетки, а также от степени разупорядочения самой решетки.
Поэтому, облучение быстрыми нейтронами реактора, приводящее к образованию радиационных дефектов в ВТСП, являясь эффективным инструментом исследования, может существенно изменить кристаллическую структуру и, следовательно, модифицировать макроскопические свойства высоко-тем перату рн ых сверх про вод н и ко в.
Целью исследования является:
• исследование общих закономерностей изменения основных параметров прыжковой проводимости образцов п-Ое с РО, компенсированных облучением быстрыми нейтронами реактора;
• исследование влияния нейтронного облучения на критический ток высокотемпературных сверхпроводников на базе УВаСиО - керамики;
• изучение влияния деформации решетки ВТСП - керамики, обусловленной процессами радиационного дефектообразования, на ее критические параметры;
• исследование механизмов неупругой релаксации энергии ультразвуковых колебаний образцов ВТСП - керамики с различной степенью разупорядочения.
Наиболее существенные результаты диссертационной работы состоят в экспериментальном исследовании и теоретическом описании особенностей влияния нейтронною облучения быстрыми нейтронами реактора на электронные и механические свойства указанных неупорядоченных систем, содержащих следующие элементы научной новизны:
- В неупорядоченой системе на основе п-Се, компенсированного облучением быстрыми нейтронами реактора:
1. На основании анализа температурной зависимости прыжковой проводимости на постоянном токе в п-Ое, компенсированном облучением быстрыми нейтронами реактора, предложен механизм токового переноса, осуществ-
ляемый переносом дырок по энергетическим уровням ядер разупорядо-ченных областей.
В рамках количественной модели прыжковой проводимости со скользящей энергией активации на основании п-Се с разупорядоченными областями предложен алгоритм обработки экспериментальных результатов, позволяющий получить данные о соотношении среднего геометрического размера РО и усредненного по ансамблю расстояния между ними. Установлено, что влияние РО на электронные свойства п-Ое<8Ь> может быть обусловлено действием широкого спектра электрофизических и механических факторов, связанных с их присутствием в матрице материала. Показано, что возможная причина немонотонного (с максимумом) хода температурной зависимости коэффициента Холла в п-Ое, компенсированном облучением быстрыми нейтронами реактора, обусловлена влиянием полей локальных упругих напряжений, окружающих РО.
В неупорядоченной системе на основе УВаСиО -керамики, облученной
быстрыми нейтронами реактора:
Обнаружен эффект восстановления сверхпроводящего резистивною перехода при отжиге керамики в атмосфере азота при Т01Ж. * 600°С - 700°С после потери ими сверхпроводящих свойств на сзади и предварительного отжига при более низкой температуре. Установлено, что облучение быстрыми нейтронами реактора приводит к понижению температуры отжига, способствующего восстановлению сверхпроводимости на ~ !00°С по сравнению с необлученным материалом.
На основании результатов термогравиметрического исследования рассчитаны температурные зависимости заселенности кислородных позиций решетки сверхпроводящей керамики при отжиге в атмосфере сухого воздуха и азота.
Предложена модель, в рамках которой дано объяснение немонотонною хода дозовой зависимости транспортного критического тока УВаСиО- керамики, в процессе облучения быстрыми нейтронами реактора на начальной стадии облучения. Проведено сравнение расчетов с эксперимен-
тальными результатами измерения критического тока в УВаСиО- керамике, облученной быстрыми нейтронами реактора в низкотемпературной гелиевой петле реактора ВВР-М при температуре облучения ~ ЗОК.
4. Исследован спектр неупругой релаксации образцов УВаСиО- керамики, исходной и облученной быстрыми нейтронами реактора. Установлена дислокационная природа пика Р3 внутреннего трения <£1(Т)У дано объяснение причин температурного гистерезиса этого пика.
Теоретическая значимость исследования состоит в том, что показана необходимость привлечения дополнительных представлений о полях внутренних механических напряжений, возникающих в образцах в результате нейтронного облучения, а также наличие в них флуктуационных уровней, что не использовалось в стандартных моделях, описывающих электронные свойства неупорядоченных систем на основе полупроводников и В ГСМ - материалов, компенсированных облучением быстрыми нейтронами реактора.
Основные положения и выводы, содержащиеся в диссертации, могут быть использованы при дальнейшем развитии теории неупорядоченных систем.
Практическая значимость исследования заключается в возможности практическою применения полученных данных о характере изменения радиационной стойкости полупроводников и ВТСП при облучении быстрыми нейтронами реактора для прогнозирования и повышения радиационной стойкости полупроводниковых приборов и материалов, а также для инженерных расчетов при выборе оптимальной защиты изделий электронной техники, работающих в условиях космоса, в искусственных радиационных полях вблизи ядер-ных силовых и исследовательских установок.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Температурная зависимость прыжковой проводимости п-Ое, конвергированного облучением быстрыми нейтронами реактора в р-тип характеризуется скользящей энергией активации и описывается выражением
=«' /(*){*( 1 - /(*) + е /{к)Цхт^с ■ (1 -
/И| = №*«,1
/(к) = 5/(® + 5 - среднее расстояние между РО; /?,„> - средний размер
РО; а- постоянная спада волновой функции дырки; х~ диэлектрическая постоянная. Такой характер обусловлен не влиянием на нее кулоновской щели, как в случае компенсации химическими примесями или точечными раадиационными дефектами, а связан с особенностями дырочного транспорта между разупорядоченными областями, возникающими при облучении частицами высоких энергий, которые рассмотрены в рамках предложенной модели.
Экспериментальные результаты исследования немонотонного хода температурной зависимости концентрации носителей заряда п-ве, облученного быстрыми нейтронами реактора, описываются в рамках модели, учитывающей влияние полей локальных упругих напряжений, возникающих вокруг РО, на энергетический спектр германия.
Модель кинетики заселенности кислородных позиций элементарной ячейки керамики состава УВагСщО?^ в зависимости от условий отжига в атмосфере сухот азота и на воздухе необлученной, а также подвергнутой облучению быстрыми нейтронами реактора.
Экспериментальные результаты исследования немонотонного характера дозовой зависимости транспортного критического тока в облученной гранулированной УВаСиО - керамике с максимумом при Ф да 1.610,7см 7 и разработанную для их описания модель, учитывающая влияние полей упругих механических напряжений на электронные свойства ВТСП. Результаты исследования экспериментально обнаруженного гистерезис-ного характера температурной зависимости дислокационного пика внутреннего трения УВагСзО?^ -керамики (исходной и облученной быстрыми
нейтронами реактора). Аналитическое выражение амплитудного значения пика, полученное в рамках предложенной модели низкоэнергетического спектра неупругой релаксации.
Достоверность и надежность результатов работы обеспечена тщательной проработкой использованных в диссертации экспериментальных методик, соответствием экспериментальных данных с результатами теоретических расчетов, а также использованием нескольких методик при получении и проверке наиболее важных результатов.
Апробация результатов исследования.
Основные результаты работы докладывались на между народной конференции "Радиационные дефекты в полупроводниках" в Тбилиси в 1970 г., на 12 международной конференции по дефектам в полупроводниках в Амстердаме в 1982 г., на международной конференции " Радиационная физика полупроводников и родственных материалов" в Ташкенте в 1984 г., на I, II, III, IV Межотраслевом Совещании по радиационной физике твердою тела в Севастополе в 1991, 1992, 1993 и 1994 г.г., на Республиканском семинаре по радиационной физике полупроводников в Киеве в 1984 г., на семинаре по радиационной физике полупроводников в Новосибирске в 1985, 1988 г.г., на рабочем Совещании по исследованию ВТСП в СПб в 1990 г., на международном рабочем совещании ""Effect on strong disordering in HTSC June, 25-29 Zarchny, 1990, на ICMC conference Kiev, 1991, Int. Conf. On HTSC and local. Phen Moscov. 11-16 May, 1991, на 29 Совещании по физике низких температур в Казани, 1992 г., на 13 Совещании по использованию нейтронов в ФТТ в СПб, 1995 г. на International Workshop on Superconductivity "Suitable Materials and Processing for HTS Applications: Towards the Next Decade", June 15 -18, 1997, The Royal Wai-koloan, Hawaii, USA.
РАЗДЕЛ I
ГЛАВА I ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1. ОБЛАСТИ РАЗУПОРЯДОЧЕНИЯ В ГЕРМАНИИ
При облучении полупроводников быстрыми заряженными частицами или нейтронами происходят каскадные процессы атомных соударений, приводящие к образованию кластеров первичных радиационных дефектов — областей концентрации вакансий и межузельных атомов.
С ростом энергии и массы бомбардирующих частиц возрастает энергия, переданная выбитому из узла атому решетки. В конце пробега атома отдачи плотность создаваемых им дефектов становится настолько большой, а взаимодействие между отдельными точечными дефекгами столь сильным, что последние приобретают качественно новые свойства. Образуется протяженный крупномасштабный дефект, получивший название разупорядоченная область (РО) [9-10].
Такой дефект представляет собой область высокой концентрации точечных дефектов, обладающую собственным набором дискретных уровней, определенным положением уровня Ферми и другими характеристиками, отличными от таковых в невозмущенной матрице кристалла. При этом полупроводник, содержащий РО в достаточно большой концентрации, приобретает характср-ные электрические, оптические, тепловые, механические и другие свойства.
Основой изменений свойств кристаллов с кластерами дефектов является возникновение в их объеме флуктуирующих электрических полей, обусловленных неоднородным распределением дефектов.
Качественно аналогичная ситуация возникает также вне рамок радиационных исследований, например в аморфных или сильно легированных компенсированных полупроводниках. Однако, при облучении быстрыми нейтронами образование такого хаотически флуктуирующего электрического моля
- Київ+380960830922