[论文解读] 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 9

一句话总结

本文提出了一种基于辐射诱导从空位等扩展缺陷发射肖特基缺陷的新机制，用于解释材料中的辐射损伤与恢复过程。空位从孔洞表面的发射导致在低至中等温度及高汇密度条件下孔洞收缩，从而抵消孔洞生长，使损伤达到与材料相关的饱和水平，解释了长期观测到但以往理论无法解释的实验现象。

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.

研究动机与目标

• 解释传统理论无法解释的辐照材料中长期观测到的孔洞收缩与饱和现象。
• 识别辐射诱导的肖特基缺陷发射为弗伦克尔对产生过程的逆过程，从而实现对辐射损伤的恢复。
• 建立一种与温度无关的辐照蠕变机制，与现有的SIPA或弹-扩散模型形成对比。
• 阐明不同材料对辐照响应差异的原因，将其与肖特基缺陷发射效率的差异联系起来。
• 为高汇密度与低至中等温度条件下辐射诱导恢复过程提供理论框架。

提出的方法

• 提出一种新颖的辐射诱导肖特基缺陷（空位）从扩展缺陷（如孔洞表面）发射的过程，与弗伦克尔对产生过程相反。
• 建立体相中弗伦克尔对产生与汇（如孔洞）表面空位发射之间的平衡模型，表明在高汇密度下发射可占主导地位。
• 引入一个条件，即辐射诱导的空位发射可与缺陷吸收相匹敌，从而导致净孔洞收缩。
• 基于温度与辐照通量推导出孔洞收缩的阈值条件，表明孔洞生长将转变为收缩。
• 将该发射机制应用于解释辐照蠕变，通过应力诱导的发射实现，且与复合速率无关。
• 利用材料特异的肖特基缺陷发射效率，解释不同材料在辐照下响应的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 当传统理论预测仅发生孔洞生长时，如何解释在低至中等温度下辐射诱导的孔洞收缩？
• RQ2 在复合不占主导地位的条件下，何种机制可实现辐射诱导的损伤恢复，特别是对孔洞的恢复？
• RQ3 为何不同材料对辐照表现出不同的响应，这与肖特基缺陷发射有何关联？
• RQ4 能否从缺陷发射动力学中推导出与温度无关的辐照蠕变机制？
• RQ5 在辐照后孔洞尺寸饱和的条件是什么，且该现象如何依赖于材料类型？

主要发现

• 从孔洞表面辐射诱导发射肖特基缺陷导致孔洞收缩，逆转了辐照材料中通常观察到的孔洞生长现象。
• 当温度低于阈值或辐照通量高于阈值时，空位发射超过弗伦克尔对吸收，导致孔洞收缩。
• 在达到阈值辐照剂量后，孔洞尺寸趋于饱和，且饱和水平取决于材料的肖特基缺陷发射效率。
• 该机制解释了长期观测到的孔洞收缩与损伤饱和实验结果，这些结果此前无法被传统模型解释。
• 提出了一种新的辐照蠕变机制，由辐射和应力诱导的空位发射驱动，与SIPA或弹-扩散机制不同，该机制与温度无关。
• 肖特基缺陷发射效率在不同材料间存在显著差异，解释了其辐照响应的差异。