[論文レビュー] New principles of radiation damage and recovery based on the radiation induced emission of Schottky defects

V.I. Dubinko|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2002

Silicon and Solar Cell Technologies被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、空孔などの拡張欠陥から放射線誘発性に発生するショットキー欠陥の放出に基づく、材料内における放射線損傷と回復の新規メカニズムを提案する。空孔表面からの空孔の放出は、低温から中程度の温度および高吸収体密度条件下で空孔の収縮を引き起こし、空孔の成長を相殺し、材料に依存するレベルで損傷が飽和することをもたらす。これは、長年にわたり観察されてきたが、従来の理論では説明できなかった実験的現象を説明するものである。

ABSTRACT

New concept of radiation-induced emission of Schottky defects from extended defects is proposed, which acts in the opposite direction compared with Frenkel pair production, and it results in the radiation-induced recovery processes. The vacancy emission from a void surface results in a shrinkage of the void which is analogous to the thermal void shrinkage at high temperatures, but it is expected to operate at low and medium temperatures and high sink densities, when the radiation-induced vacancy emission from sinks becomes comparable with the absorption of Frenkel defects produced in the bulk. As a result, the void growth becomes negative below a threshold temperature (or above a threshold flux), and saturates after a threshold irradiation dose, at a level, which depends on the type of material. These effects have been observed experimentally for a long time but could not be explained by the conventional theory. One of the technologically important consequences of the new concept is a mechanism of irradiation creep, based on the radiation and stress induced preference emission, which is essentially temperature independent in contrast to the well-known SIPA or elastodiffusion mechanisms that can yield a significant irradiation creep only when recombination is negligible. The efficiency of the radiation-induced Schottky defect emission is different for different types of materials, which is shown to be one of the major causes of their different responses to irradiation.

研究の動機と目的

• 従来の理論が説明できない長年にわたり観察されてきた、照射材料における空孔収縮および飽和現象を説明すること。
• フレンケル対生成の逆過程としての放射線誘発性ショットキー欠陥放出を特定し、放射線損傷からの回復を可能にするメカニズムを提示すること。
• SIPA や弾性拡散モデルとは対照的に、温度に依存しない照射ひずみのメカニズムを確立すること。
• 異なる材料が照射に対して異なる反応を示す理由を、ショットキー欠陥放出効率の差異と関連付けて明確にすること。
• 高吸収体密度および低温から中程度の温度における放射線誘発回復プロセスの理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 空孔表面などの拡張欠陥から放射線誘発性に発生するショットキー欠陥（空孔）の放出という、新規のプロセスを提案し、フレンケル対生成とは逆方向のプロセスを示す。
• 体積内におけるフレンケル対生成と吸収体（例：空孔）からの空孔放出のバランスをモデル化し、吸収体密度が高い条件下で放出が優勢になることを示す。
• 放射線誘発空孔放出が欠陥吸収と同等に達する条件を導入し、網状の収縮が生じることを示す。
• 温度と線量率に依存する閾値条件を導出し、空孔成長から収縮への遷移を定量化する。
• 応力誘発放出を介して、再結合率に依存しない照射ひずみの説明にこの放出メカニズムを適用する。
• 材料固有のショットキー欠陥放出効率を用いて、異なる材料における照射応答の相違を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の理論が成長しか予測しない条件下で、低温から中程度の温度における放射線誘発空孔収縮はどのように説明できるか？
• RQ2 再結合が支配的でない条件下で、特に空孔において放射線誘発回復を可能にするメカニズムは何か？
• RQ3 なぜ異なる材料が照射に対して異なる反応を示すのか？これはショットキー欠陥放出とどのように関連するか？
• RQ4 欠陥放出ダイナミクスに基づいて、温度に依存しない照射ひずみメカニズムを導出できるか？
• RQ5 照射後に空孔サイズが飽和する条件は何か？これは材料の種別にどのように依存するか？

主な発見

• 空孔表面からの放射線誘発的ショットキー欠陥放出が空孔収縮を引き起こし、照射材料で一般的に見られる空孔成長とは逆転する。
• 放出がフレンケル対の吸収を上回る条件、すなわち閾値温度未満または閾値線量率を超える条件下で空孔収縮が発生する。
• 閾値照射線量を超えると空孔サイズは飽和し、その飽和レベルは材料のショットキー欠陥放出効率に依存する。
• 本メカニズムは、従来のモデルでは説明できなかった長年にわたり観察されてきた空孔収縮および損傷飽和の実験結果を説明する。
• SIPA や弾性拡散モデルとは対照的に、温度に依存しない照射ひずみの新規メカニズムが提案され、放射線および応力誘発空孔放出によって駆動される。
• ショットキー欠陥放出の効率は材料によって顕著に異なるため、これにより異なる材料の照射応答の相違が説明できる。