[논문 리뷰] New principles of radiation damage and recovery based on the radiation induced emission of Schottky defects

V.I. Dubinko|arXiv (Cornell University)|2002. 12. 06.

Silicon and Solar Cell Technologies인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 고체 내의 확장된 결함(예: 공극)으로부터 방사선에 의해 유도된 쇼트키 결함의 방출을 기반으로 한 새로운 방사선 손상 및 회복 메커니즘을 제안한다. 공극 표면에서의 양공 방출은 저온에서 중간 온도까지 및 높은 수확체 밀도 조건에서 공극 수축을 유도하며, 이는 공극 성장을 억제하고 손상의 포화 상태에 이를 수 있게 하여 오랫동안 관찰되어 왔지만 설명되지 않았던 실험적 현상을 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 이론이 설명하지 못하는 장기간 관찰되어 온 방사선 처리된 물질에서의 공극 수축 및 포화 현상을 설명하기 위해.
• 프렌켈 쌍 생성의 반대 과정으로서 방사선에 의해 유도된 쇼트키 결함 방출을 식별하여 방사선 손상에서의 복구 가능성을 제시하기 위해.
• 기존 모델(예: SIPA 또는 탄성확산)과 대비하여 온도에 의존하지 않는 방사선 피로 메커니즘을 수립하기 위해.
• 다양한 물질이 방사선에 대해 다른 반응을 보이는 이유를 쇼트키 결함 방출 효율성의 차이와 연결지어 설명하기 위해.
• 고수확체 밀도 및 저온에서 중간 온도 조건에서 방사선에 의해 유도된 복구 과정에 대한 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 공극 표면과 같은 확장된 결함에서 방사선에 의해 유도된 쇼트키 결함(양공)의 방출이라는 새로운 과정을 제안하며, 이는 프렌켈 쌍 생성과 반대되는 과정이다.
• 기질 내 프렌켈 쌍 생성과 수확체(예: 공극)에서의 양공 방출 간의 균형을 모델링하여, 고수확체 밀도 조건에서 방출이 우세해질 수 있음을 보여준다.
• 방사선에 의해 유도된 양공 방출이 결함 흡수와 균형을 이루는 조건을 도입하여 순수한 공극 수축을 유도한다.
• 온도와 조사율에 기반한 공극 수축의 임계 조건을 유도하며, 이는 공극 성장에서 수축으로의 전이 조건을 설명한다.
• 응력에 의해 유도된 방출을 통해 방사선 피로를 설명하기 위해 이 방출 메커니즘을 적용하며, 재결합 속도에 의존하지 않는다.
• 물질 특화된 쇼트키 결함 방출 효율성을 사용하여 다양한 물질 간의 방사선 반응 차이를 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 이론이 항상 성장을 예측하는 바에 비해, 저온에서 중간 온도에서 방사선에 의해 유도된 공극 수축은 어떻게 설명할 수 있는가?
• RQ2 재결합이 지배적이지 않은 조건에서, 특히 공극에서 방사선에 의해 유도된 손상 복구가 가능한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 다른 물질들이 방사선에 대해 서로 다른 반응을 보이는 이유는 무엇이며, 이는 쇼트키 결함 방출과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 결함 방출 동역학에서 온도에 의존하지 않는 방사선 피로 메커니즘을 유도할 수 있는가?
• RQ5 방사선 조사 후 공극 크기가 포화되는 조건는 무엇이며, 이는 물질의 종류에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 공극 표면에서의 방사선에 의해 유도된 쇼트키 결함 방출은 공극 수축을 유도하며, 이는 일반적으로 방사선 처리된 물질에서 관찰되는 공극 성장을 뒤집는다.
• 공극 수축은 임계 온도 이하 또는 임계 조사율 이상에서 발생하며, 이는 방출이 프렌켈 쌍 흡수를 초월할 때 발생한다.
• 공극 크기는 임계 조사량을 초과한 후 포화되며, 이 포화 수준은 물질의 쇼트키 결함 방출 효율성에 따라 달라진다.
• 이 메커니즘은 이전까지 기존 모델로 설명되지 않았던 장기간 관찰된 실험 결과인 공극 수축과 손상 포화 현상을 설명한다.
• 방사선과 응력에 의해 유도된 양공 방출에 의해 구동되는 새로운 방사선 피로 메커니즘이 제안되며, 이는 SIPA 또는 탄성확산 메커니즘과 달리 온도에 의존하지 않는다.
• 다양한 물질 간의 쇼트키 결함 방출 효율성은 상당히 다름을 보이며, 이는 각 물질의 다른 방사선 반응을 설명한다.