第五章能量淀積(2013)課件

1、第五章 能量淀積分布理論和輻射損傷離子與物質(zhì)相互作用過程可分為初級碰撞和次級碰 撞兩個階段來討論。 初級碰撞初級碰撞：入射離子與靶原子 次級碰撞次級碰撞：反沖靶原子與靶原子5.3 簡單的級聯(lián)移位理論 描述級聯(lián)移位現(xiàn)象最重要的物理量，是移位原子數(shù)N(E)。定量描述級聯(lián)移位現(xiàn)象的理論，稱為級聯(lián)理論，根據(jù)級聯(lián)移位理論可以計算移位原子數(shù)。最簡單的級聯(lián)移位理論是Kinchin-Pease模型。一、 Kinchin-Pease模型的6個基本假設(shè)碰撞原子的特性類似于硬球，即能量傳遞截面由硬球模型決定；級聯(lián)過程看作是一系列原子間的二體彈性碰撞；每次碰撞是彼此無關(guān)的，認(rèn)為固體中的原子排列是無規(guī)則的，忽略晶體的周

2、期性結(jié)構(gòu)所引起的空間關(guān)聯(lián)；當(dāng)碰撞中傳遞的能量小于電離能量限（Ec）時，所有的碰撞是彈性碰撞，忽略引起電子激發(fā)的能量損失；當(dāng)晶格原子接受的能量T小于閾能Ed時，不發(fā)生移位，大于閾能Ed時則一定發(fā)生移位。這就是說，移位幾率可以表示為 Pd（T）= 0，（對于TEd ）由于初級撞出粒子能量E遠(yuǎn)大于移位能量Ed，因此可忽略移位原子所消耗的能量Ed，即：E=E+T （E為初級撞出粒子能量，E為碰撞后散射粒子的能量）二、建立移位原子數(shù)方程l 雖然上述模型是過分簡化的物理圖像，但作為初步估算仍可在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行移位原子數(shù)的計算，然后進(jìn)一步討論修改上述假設(shè)所得到的更精確的結(jié)果。l 討論能量為E的一個初級撞

3、出原子開始的級聯(lián)碰撞。設(shè)在級聯(lián)碰撞中產(chǎn)生的移位原子數(shù)為N（E），如果初級撞出原子傳遞給被撞出原子的能量為T，被散射的初級撞出原子能量為E（E=E-T）,由該初級撞出原子引起的級聯(lián)碰撞導(dǎo)致的移位原子數(shù)應(yīng)該滿足關(guān)系： N(E)=N(E-T)+N(T) 注意：初級撞出原子，在碰撞中傳遞給晶格原子的能量T，可以從0至E取任意值，各種值都有一定的幾率。如果已知不同傳遞能量的幾率，便可通過上式計算出N(E)。例如，在碰撞中，能量為E的初級撞出原子，傳遞給被撞原子的能量為（T，dT）的幾率為d/（此處d和是兩原子碰撞的微分截面和全截面）。根據(jù)硬球假設(shè)，有 同理，能量為E的初級撞出原子被散射后能量為（E，dE

4、）的幾率為于是，能量為T的次級反沖粒子所產(chǎn)生的移位原子平均數(shù)應(yīng)為被散射的初級撞出原子所產(chǎn)生的移位原子平均數(shù)為被散射的初級撞出原子所產(chǎn)生的移位原子平均數(shù)為 EdTdEdEdEdTTNE0)(EdTTENE0)(所以，能量為E的初級撞出原子引起的級聯(lián)碰撞導(dǎo)致的移位原子總數(shù)，是上兩式之和，即利用改變積分變量的方法，可使該方程右邊二個積分具有相同的形式，如令T=E-T，于是為求解該積分方程，可將積分區(qū)間劃分為0Ed、Ed2Ed、2EdE三個能量區(qū)間，于是dTTNTENEENE0)()(1)(0000)() () () ()(EEEEdTTNdTTNTdTNEdTTENdTTNEENE0)(2)()()

5、()()(2)(022EdEdEdEEddTTNdTTNTdTNEEN現(xiàn)在考察在不同能量區(qū)間N（T）的行為：當(dāng)TEd時，次級碰撞不能引起移位，即 N（T）=0 （對于0TEd）當(dāng)EdT2Ed時，晶格原子具有兩種可能結(jié)果： 如果傳遞給晶格原子的能量超過Ed，但仍小于2Ed，這時被撞擊原子離開它的晶格位置而發(fā)生移位，去撞擊的這個次級撞出原子則留在空位上，它的剩余能量轉(zhuǎn)化為熱能。 如果相反，去撞擊的這個次級撞出原子傳遞給晶格原子的能量小于Ed，則被撞擊原子不發(fā)生移位。 無論哪種情況出現(xiàn)，在上述兩種情況下，最后都只有一個不在格點(diǎn)位置的運(yùn)動著的移位原子。 所以，動能在Ed和2Ed之間的一個初級或次級撞出

6、原子，都僅僅能產(chǎn)生一個移位原子，即 N(T)=1 （對于EdTEc=11KeV， N(E)=Ec/2Ed=220（個） Sb Si 因?yàn)镋=100 KeVEc=121KeV，N(E)=E/2Ed=2000（個）4. 損傷情況： B離子走過1，產(chǎn)生220/3000=0.075 移位原子/ Sb離子走過1，產(chǎn)生2000/457=4.4 移位原子/ 所以B注入的缺陷為點(diǎn)缺陷（分散、稀疏的點(diǎn)缺陷） Sb注入的缺陷為重迭的缺陷，造成無序（橢球狀）根據(jù)K-P模型，定性分析B和Sb離子入射到Si的損傷情況 以100KeV B和Sb離子注入到Si中為例總述 (輕) B 離子在硅中有較長射程，大部分能量用于電子

7、阻止，與核碰撞能量很小，產(chǎn)生移位原子數(shù)很少，大約每走1產(chǎn)生0.07個移位原子。形成孤立的點(diǎn)缺陷，稀疏地分布于離子走過的路程上，這樣的損傷不會形成無序狀態(tài)。 (重) Sb 離子在硅中射程較短，它的能量幾乎全部用于核阻止，每走過1產(chǎn)生4.4個移位原子，這些移位原子互相重迭，形成橢球狀缺陷，造成嚴(yán)重?fù)p傷，甚至破壞晶體結(jié)構(gòu)形成無序狀態(tài)。根據(jù)K-P模型，定性分析B和Sb離子入射到Si的損傷情況 以100KeV B和Sb離子注入到Si中為例重離子（Sb)Rp輕離子（B）損傷區(qū)畸變團(tuán)5.4 低能注入離子在固體中的低能注入離子在固體中的能量淀積空間分布能量淀積空間分布 能量淀積的過程要發(fā)生碰撞和原子移位，移位的結(jié)果就是靶的結(jié)構(gòu)被改變、被破壞，也就是靶被損傷了。 能量淀積的過程同時就是輻射損傷的過程。能量淀積的結(jié)果就是靶的輻射損傷。 輻射損傷分布與能量淀積分布有關(guān)系。但二者又不是完全等同。相當(dāng)部分的損傷分布可以用能量淀積分布來描述，但有另一部分損傷是與能量淀積分布不成正比的。能量淀積與損傷能量淀積與損傷 損傷分布移位原子數(shù)的分布 淀積能量移位原子分布損傷情況 淀積能量