Радиационные процессы в ионных кристаллах

| Категория реферата: Рефераты по физике
| Теги реферата: экология реферат, физика 7 класс
| Добавил(а) на сайт: Shimjakin.

Эффективное решение этих практических задач требует выяснения механизмов создания и закономерностей поведения радиационных дефектов в твердых телах.
Кроме того, облучая твердые тела ионизирующей радиацией, можно создавать условия для твердого тела, очень далекие от термодинамически равновесных.
Изучение ионных и электронных процессов в твердом теле в этих условиях представляет большой самостоятельный интерес.

Радиационные повреждения могут возникать в твердых телах в результате взаимодействия частиц и квантов либо с ядерной, либо с электронной подсистемами кристаллической решетки. Поэтому различают две группы механизмов радиационного создания нарушений в твердых телах - ударные электронные механизмы.

Ударные механизмы создания радиационных дефектов относительно хорошо изучены в полупроводниках и металлах при действии на них быстных нейтронов, протонов, алектронов и т.д. (З6-39, 21].

При не слишком больших энергиях частиц первичный акт взаимодействия этих частиц с кристаллообраэукщими частицами (атомами, ионами) сводится к упругому парному соударению, подчиняющемуся классическим законам сохранения энергии и импульса.

Если первичная частица имеет кинетическую энергию Ек и массу m , а масса атома (иона) М ,то при парном лобовом соударении в не-релятивистском приближении смещаемый из узла кристаллической, решетки атом (ион) приобретает энергию

[pic]
Пусть Еd - минимальная энергия, необходимая для смещения атома (иона) из нормального узла кристаллической решетки. Тогда, полагая Еd = Е из (2.6) можно получить выражение для так называемой пороговой кинетической энергии частицы (Еn = Ек), т.е. минимальной энергии частицы, обладая которой она еще способна при парном лобовом соударении создать френкелевскуго пару дефектов:
[pic]
При электронной бомбардировке необходимо учитывать релятивисткие эффекты.
В этом случае максимальная передаваемая энергия
[pic] (2.6) m и Ек - масса и кинетическая энергия эпектрона, соответственно. Ударные механизмы создания радиационных дефектов универсальны.
Они осуществляются и в ионных кристаллах. Экспериментально ударные механизмы радиационного дефектообразования изучены на монокристаллах МgO.
Для окиси магния пороговая энергия смещения электронами ионов кислорода составляет 330 КэВ, чему соответствует Еd = 60 эВ (см.: [21], с .2.25). В
ЩГК в сравнении с другими механизмами ударные механизмы проявляются слабо.
При взаимодействии частиц и квантов элактргмагнитного излучения с твердыми телами большая часть их энергли расходуется на возбуждение электронной подсистзмы кристаллов. Возникающие при этом разнообразные электронные возбуждения обусловливают электронные механизмы радиационного дефектообразования в твёрдых телах. Электронные механизмы создания радиационных дефектов хорошо изучены в ионных кристаллах, особенно в ДГК. В этом случае радиационные деффекты преимущественно создаются с помощью механизмов, требующих гораздо меньшей энергии, чем ударные механизмы.
Соответствующий механизмы в радиационной физике твердых тел получили название подпороговых механизмов создания радиационных дефектов.

Один из таких механизмов предложен в 1954 г. Варли Г407, впервые рассмотревшим возможность создания фреккелевских пар дефектов при двойной ионизации ионов галоида [pic] в ЩГК. Пороговая энергия механизма Варли определяется возможностью получения дважды ионизованных анионов (для КСl она равна 200 эВ). Этот процесс может произойти в результате Оже-процоссов в ионах галоида. Под действием излучения удаляется один из электронов внутреннего слоя галоида. При переходе электрона с внешнего слоя на внутренний выделяется энергия, идущая на вторичную ионизации этого иона. В результате этих процессов возникает нестабильная группировка из семи расположенных рядом положительно заряженных ионов, которая в принципе может исчезать путем выталкивания положительно заряженного галоида из узла кристаллической решетки в междоузлие. Гипотеза Варли подвергалась подробной экспериментальной проверке и было доказано, что процессы двойной (и многократной) ионизации кристаллообразующих частиц не играют решающей роли при создании радиационных дефектов в ЩГК (см.: 1211, С.242). Полученный розультат связывается с тем, что время жизни многократно ионизованных состояний анионов определяется временем захвата электронов соседних анионов, равным [pic]с. Это время меньше периода колебаний решетки и, вероятно, слишком мало для накопления импульса, необходимого для смещения аниона в междоузлие.

В последние годы показано, что многократная ионизация атомов приводит к созданию точечных дефектов в полупроводниках.
В твердых телах радиационные дефекты могут возникать также в результате распада некоторых сравнительно долгоживущих электронных возбуяздений. Во многих ионных кристаллах, особенно в ЩГК, этот механизм создания радиационных дефектов является доминирующим. Подтвериздением этого обстоятельства служит следующий факт (см.:[21], с.224). В отношении радиационного дефектообразования мощное облучение кристаллов NaCl нейтронами и [pic]-излучением ядерного реактора приводит практически к тем же результатам, что и облучение рентгеновским излучением и даже ультрафиолетовых счетом, селективно создающим экситоны или электронно- дырочные пары. При облучении кристалла NaCl частицами и фотонами в нем возникают электронные возбуждения широкого диапазона энергий и времен жизни, высокоэнергэтичеокие электронные возбуждения распадаются на простейшие стабильные возбуждения типа электронно-дырочных пар и экситонов
(§2.1, рис.2.2). Именно низкоэнергетические электронные возбуждения с достаточной для обнаружения эффективностью превращаются в дефекты кристаллической решетки. Первичными радиационными дзфектами в ЩГК являются френкелевские пары (нейтральные или заряженные). Такого рода дефекты эффективно генерируются в ходе распада автолокализованных экситонов и при безызлучатальных рекомбинациях электронов с Vk -центрами:

[pic] (2.9)

[pic] (2.10)

До распада каждый молекулярный ион [pic] и [pic] занимает два анионны узла. После распада ([pic])* восстанавливается регулярный узел решетки
[pic], атом Х° смещается в междоузлие ([pic]), а оставшаяся на его месте анионная вакансия Va захватывает электрон [pic]. В результате реакций (2.9) и (2.10), предложенных Витолом и Хершем, возникают нейтральные френкелевские пары: междоузельный атом галоида ([pic]) и анионная вакансия, захватившая электрон ([pic]). Генерация заряженных френкелевских пар может осуществляться в ходе реакции:

[pic] (2.11)
В принципе возможны и другие реакции распада низкоэнергетических электронных возбуждений на структурные дефекты в регулярных узлах кристаллической решетки.

В основе механизмов распада электронных возбуждения па структурные дефекты лежит элоктронколебательное взаимодейстпид, обеспечивающес превращение потенциальной энергии электронных возбуждений в смещения ионов порядка , постоянной решетки собственных электронных воздуждений (Ее) больше энергии созда- ния радиационных дефектов (Еd), а время жизни электронных воз-буддений в элементарной ячейке ([pic] ) больше периода колебаний кристаллообразующих частиц ( [pic]), то электрон-колебательное взаимодействие может привести к распаду электронного возбуждения на френкелевские дефекты. Следовательно, неравенства Ее>Еd и [pic] можно рассматривать как приближенные устовия возможности распада электронных возбуждений с ровдением дефектов за счет электрон-колебательных взаимодействий [21].

С этой точки зрения объяснима низкая эффективность прямого дефектообразования при распаде высокоэнергетических электронных возбуаздений. В этом случае выполняется первое неравенство ( Ее>Еd) но не выполняется второе: подавляющее большинство сысокоэнергети-ческих электронных возбуждении имеет очень малое время жизни, либо слишком короткое время жизни в фиксированной элементарной ячейке кристалла.

Особенно благоприятна ситуация для распада тех электронных возбуждении, которые переходят в автолокализованное состояние. Для них условие [pic] явно выполняется. Установлено, что автоло-кализованные экситоны существуют в галоидных солях щелочных и щелочноземельных металлов, в гидриде лития, в некоторых галоидных солях свинца и серебра. Вое эти системы имеют низкую радиационную стойкость. Ионные кристаллы, для которых автолокализация экситонов отсутствует ( MgO, Al2, O3 , ), имеют исключительно высокую радиационную устойчивость.