Способ определения энергетических параметров межузельных атомов в металлах

(51)5 П 0 ЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ ИДЕТЕЛЬС АВТОРСКО(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МЕЖУЗЕЛЬНЫХ АТОМОВ ВМЕТАЛЛАХ(57) Изобретение относиционной физике твердогобыть использовано, в чаопределения энергетичесров межузельных атомовметодом автоионной микрсоб заключается в следют образцы - острия в ароскопе собственными ио Процессы зования. в м миздат, 198 п в 1 си Ие 11 ггай 1 асед 971. У 23,ра еГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) Кирсанов В.В. и дрдиационного дефектообраталлах. - М.: ЭнергоатоЗсап 1 ап Н.М. аа Ап а1 оп ппсговсоре ягоду оГгцп 8 згеп РМ 1 оз, Иа 8. 1р.1439. тся к радиатела и моает стности для ких параметв металлах оскопии. Споующем: облучавтоионном микнами энерги623Е;405 ей 20-100 кэВ при температуре, превышающей температуру конца дальней миг ации единичных межузельных атомов д я чистого металла и при флюенсе о лучения. равном величине,при кот рой средняя концентрация точек по- в пиенной яркости достигает уровня к нцентрации примесей, при этом изме-. нение температуры осуществляют стуенчато с шагом 10-30 К и скоростью ,1-1,0 К/с при охлаждении образца осле каждого шага до его начальной емпературы на время, достаточноея восстановления контраста изобраения и его фоторегйстрации, строят гистограмму д Я т = Е(Т), где АН т риращение точек повышенной яркости,температура, рассчитывают энерию Е ", миграции комплексов меж 1 а эельный атом-атом примеси и энергию а связи этих комплексов Еа1 Г 2 1 ст+ -- (г. - с ) 1 п- - югт, ф Р3 Фр) а 1 с. 4 ( рЯ и ъ где а - межатомное расстояние в матрице; К, - средний радиус кривизнывершины острия; Тр - начальная температура образца в момент времениС = Г.р; Тм - температура максимума распределения АМ т = Г(Т)полное время подъема температуры;И = Х В К а- суммарное ч нсло точе кповышенной яркости, появившееся наавтономном изображении эа время с1 а - концентрация примесей в материале;- скорость подъема температуры;- число перескоков комплек"сов межузельный атом-атом примесив единицу времени; и; - параметрструктуры; 1 с . = 1/(К ) ; М; - частота колебаний атомов в комплексе,Способ имеет расширенные функциональные воэможности эа счет определенияискомых параметров для металлов, имеющих до 0,2-0,5 ат.Е примесей, 2 ил.Изобретение относится к радиацио ной физике твердого тела, физике радиационных повреждений и автоионнй микроскопии и может быть использэвано для исследования влияния различного рода примесей на подвижность межузельных атомов в металлах, аналза возможности образования и температурной стабильности комплексов межузельный атом-атом примеси, в частности для определения энергетических параметров межузельных атомов в металлах методом автоионной микроскопии,Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа за счет определения искомых гараметров для металлов, имеющих до ,20,5 ат,Х примесей.На фиг, 1 приведена диаграмма изМенения температуры образца в процес се его нагрева. На нем; Тр, - опти 1 альная температура образца, при коорой достигается атомарное разреше 2ние микроскопического изображения(Т= 10-80 К); Тр - температура,при которой на автоионном изображении поверхности образца начинает фиксироваться появление точек повышенной яркости; Тк - температура образца, при которой прекращается приростчисла точек повышенной яркости наавтоионном изображении (ЙЬ т = 0);10 АТ - шаг подъема темйературы;соответствующий ВТ временной шаг;С - время фотографической экспози 3ции автоионных изображений; Эр Э,первая, вторая и т,д. фотографиче ские экспозиции автоионного изображения до появления на нем точек повышенной яркости; Э 1, Э макс - фотографические экспозиции, соответствующие условию Л ИФ О.20 На фиг.2 приведена гистограммаприроста числа точек повышенной яркости йХна автоионном изображении одной и той же поверхности в процессе ступенчатого нагрева образца.40 45 50 з 14056При облучении образцов-острий из металлов с небольшим уровнем примесей ионами матрицы энергией 20100 кэВ в кристаллической решетке материала образцов разиваются каскады атомных столкновений, в которых генерируются точечные дефекты: вакансии и межузельные атомы. Если температура образца при облучении вьппе значения, соответ" 10 ствующего концу дальней миграции (судя по спектру изохронного отжига) межузельных атомов Т ц (для вольфрама, например, это , 110 К), то все они, обладая высокой подвижностью, либо выходят на внешнюю поверхность, либо аннигилируют с вакансиями, либо оседают на стабилизирующих их стоках. Такими эффективными стоками межузсльньм атомов в металлах являются некоторые примеси. Одни примеси легче связывают межузельные атомы, другие - сильнее, а час . примесей вообще не соединяется с ними. При этом возникают вопросы, какие именно примеси 25 в данном металле и насколько стабилизируют межузельные атомы, с какими примесями межузельные атомы легче мигрируют в комплексах при той или иной температуре, а какие комплексы, наоборот, распадаются при нагреве материала, установление численных значений соответствующих температур и энергий связи комплексов и их миграции.35 Согласно предложенному способу, образцы облучают при температуре ТплТ поэтому в их объеме межуэельные атомы могут присутствовать только в комплексах с атомами примесей. Такие комплексы, располо" женные у отображаемой в автоионном микроскопе поверхности образца, дают на автоионном изображении конт, раст в виде точек с локально высокой яркостью. Таков же контраст от единичных межузельных атомов. Об 1 лучение образцов ведут до флюенса, при котором определяемая с помощью автоионного микроскопа объемная концентрация точек повышенной яркости С(т. е. указ анных комплексов) сравнивается с концентрацией примесей Са, В этом случае можно считать, что все,примеси связаны с межузель, ными атомами. Использование же для облучения образцов собственных ионов . металла обеспечивает необходимое со 234хранение состава, т.е, не вносит новых примесей,После облучения образца его начинают нагревать. Характер подъема температуры обусловлен тем фактом, что начиная приблизительно с 100 К теряется атомарное разрешение автоионного микроскопа. Поэтому нагрев с постоянной скоростью 1 необходимо периодически прерывать с тем, чтобы сфотографировать автоионное изображение при температуре Тп оптимальной для получения атомарного разрешения. Скорость спада и подъема (воэвраще-( ния):температурыдолжна быть .существенно вьппе (более чем на порядок) р. Нагрев образцов осуществляют путем пропускания через дужку с острием электрического тока, характер его изменения устанавливается заранее на эталонных образцах. Время .с з фотографической экспозиции автоионных изображений составляет0,1-0,001 с, спад и подъем температуры до и после экспозиции занимает в силу инертности системы порядка нескольких секунд при высоких температурах. В ножке микроскопа во время всей экспериментальной процедуры находится охлаждающая образец жидкость. Временные интервалы д Т составляют 1 О-:30 К, а шаг по времени Лг. порядка 1-20 с (эти значения подбираются экспериментально) . Конечная температура Тк составляет 0,3-0,5 от температуры плавления и соответствует ситуации, когда в результате очередного шага нагрева образца с выбранной скоростью , число М 1 т точек повышенной яркости на фиксируемом автоионном изображении не меняется, т.е. д Ы=О.В результате имеется набор (пц+ +1) автоионных изображений одной и той же поверхности образца (и макс число подъемов температуры со ско"ростью). Беря последовательно пары соседних по экспозиции изображений, методом цветового выделения устанавливают для каждой пары приращение точек повьппенной яркости Д И После этого строят гистрограмму 61 ют = Й/Т или, что то же, ЛК =Г (и) (см. фиг. 2) . По гистограмме определяют суммарное число точек повыющсшенной яркости Х = 2. ЮЛ ии:1температуру Тсоответствующую максимуму в распределении ВИГ(Т),5 1405При реализации способа необходим контроль исходного предположения о ом, что к поверхности образца мигируют именно комплексы межуэельной , том-атом примеси, а не "чистые" меж, зельные атомы, Он осуществляется в икрозондовом анализаторе (автоионом микроскопе с атомным зондом) на браэцах,подвергнутых облучению и 1 Оентичных условиях и предварительо нагретых с линейной скоростью о температуры в райне Т. Испаяя импульсно с поверхности образца браэование (частицу, комплекс), от"тственное за формирование на автонном изображении пятна повышенной л кости, определяя время его пролета.детектора, устанавливают химичес ую природу образования. Если на ц тектор приходят и ион матрицы и ион п имеси - значит, к поверхности при н греве образца мигрируют указанные к мплексы; н противном случае при рег страции исключительно ионов мате р ала матрицы - межуэельные атомы.Затеи проводится расчет искомых э ергетических параметрон межузельн м атомов - энергии Е ф их связи1 сн комплексах с атомами примесей итпу э ергии Е,миграции комплексов.Для вывода соответствующих аналит чвскик выражений целесообразно иси льзовать кинетические уравнения, д Ффузии: 623 сопнг (-+ О) С е О С,дС Е1сопзГ, где С - полная концентрация примесей.й -Е 1"РЕ = а 4 е/1(М, где а - папраметр решетки, Е; - энергия миграции межузельных атомов,35В случае низких температур диссоциация мала;(4) В них С Е(Г) - средняя концентрация передвижных межузельных атомов; С (г) средняя концентрация ваканский;С (с) - средняя концентрация примесей сорта "а"; С; (г) " средняя концентрация поднижных комплексов межуэельиый атом - атом примеси; ее4 йг; г - радиус зоны рекомбинации; (г)- Еа4 Е, и; е /ЕТ(Г) - кинетический коэФфициент диссоциации комплексов;4, - частота колебаний атомов в комплексе (порядка дебаенской) иф Е координационное число; Р- коэффициент диффузии межуэельных атомов;и- коэффициенты.Первый член в правой части уравнения (1) соответствует рекомбинации межузельных атомов и вакансий, второй - уходу межузельных атомов на стоки. Первый член в правой части уравнения (2) учитывает образование комплексов, второй член - их диссоциацию, третий - уход комплексов на стоки (Э Е - коэффициент диффу-зии комплексов)- Начальные условия (в момент времени г); С(;) = С о . сопзг. уЕ О При высоких температурах диссоциация велика: где 1 - число перескоков атомон в единицу времени;- сила стоков дефектов 1Рассмотрим случай высоких температур, когда велика диссоциация и затруднен процесс комплексообразования;1 С Сп ( хс;, Пренебрегал членом ЫС;С в уравнении для С, получим"Е ссГ(1 вс вп от вс по)3 Скорость вывода комплексов а на поверхность будет (считаем, что, кроме поверхности, нет других стоков): 1 о5у) 1, С .с Са.1)1 е 1 ой 31 4уЕ (ст Г 1 Ф- (е 1 Мви 1 в ,п 1(с - с ) п 11(1 1 в) (1 п (ст Гвв (1.1 в)3верхность эа время С в Число комплексов, вьппедших на поМ 1 (с ) -Сс (с ) --ч(й З 1 2 фо 1( О Т(5) х е 30Иэ равенства (5), где К,(й) определяется экспериментально, получаем выражение для энергии миграциикомплексов1,д - - а К(С - Со) (6)с а й(здесь С -, фиксированное время измерения И;а.Вторым условием можно взять ра- венствокомнатной температуре Микрозондовый анализ природы частиц, выходящихна поверхность образца, чри его нагреве с линейно возрастающей температурой, не проводился. Флюенс облучения составил 5 10 ион/м . Установленная объемная концентрацияточек повьппенной яркости была равнаконцентрации примесей. Температураанализа образцов в автоионном микроскопе Т од = 78 К, еж = 60 с,Ю10 , (Ь. 15 град/с, М " 10 1/с, В 0 1; 101/с, и1 О, 1 с ф1/К ,К Ф 50 Нм. В предположении, чтовсе наблюдавшиеся точки повьппеннойяркости соответствуют комплексам межузельный атом - атом примеси,поуравнениям (6) и (7) получены следующие значения искомых энергетических параметров;Ей 0,98 зВ; мкс - температура максиму ма зависимости И;(С) - см.фиг.2. Тогда получаем выражение для энергии связи комплекса Е, = Е, + сТ 1 п ( -- ) (7) Ь. 4 П;1 1 макс 1 а%11 Предложенный способ опробован на образцах иэ технически чистого вольфрама с уровнем примесей порядка 0,2 ат,7 (основные примесищелочные металлы). Образцы облучены ионами И энергией 50 кэВ.при При этом иэ (1) и (2) Ь С(С) - Г о- Са(С).1405623 АЮЯ М 8.1 Составитель В. ГаврюшинКорректор Э. Лончак едактор О. СтенинаТемред И.Дндьа Подписи ираж 403ГосУдарственно делам изобретен осква, Ж, Ра 2 аказ Проектная Производственно-полиграФическое предприятие, г. Уагор ВНИИП и 035, омитета СССР открытий ая наб., д, 4