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氦离子注入单晶硅的分子动力学模拟及拉曼光谱表征分析

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氦离子注入单晶硅的分子动力学模拟及拉曼光谱表征分析

作者：吉莉天津大学

学位级别：硕士

单晶硅作为典型的半导体材料,凭借其正四面体的空间网状结构,均衡的电学、热学、力学特性被广泛地应用在核能环境中。但是核辐照环境下的高能中子引起的原子位移损伤、直接α粒子轰击、核反应产物掺杂等过程会导致材料产生位错、孔洞、... 详细信息

单晶硅作为典型的半导体材料,凭借其正四面体的空间网状结构,均衡的电学、热学、力学特性被广泛地应用在核能环境中。但是核辐照环境下的高能中子引起的原子位移损伤、直接α粒子轰击、核反应产物掺杂等过程会导致材料产生位错、孔洞、气泡等缺陷,特别是(n,α)反应产生的氦(He)掺杂及其演化产物。以氦泡为代表的产物,在宏观尺度上会导致材料表面起泡、鳞状剥落、表面孔等,这些缺陷会导致材料的硬化/脆化,严重影响硅材料的使用寿命,限制了硅材料在核辐照环境下的功能性和使用周期。因此,对硅材料内部的氦行为特性和结构转换过程的相关过程研究,成为实现硅在核辐照环境下应用的关键。本课题基于分子动力学仿真方法,结合氦离子注入单晶硅、拉曼光谱表征分析,开展了氦离子注入单晶硅相关基础研究,主要研究内容及结论如下:(1)为了更好地研究核辐照环境下,单晶硅材料损伤内部的微观结构演变机制,采用分子动力学(Molecular dynamics,MD)仿真的方式建立了单晶硅的氦离子注入分子动力学仿真模型;在氦离子注入单晶硅的过程中,损伤经过自退火修复后,硅原子的配位数发生变化,单晶硅和非晶硅的中间晶态数目增多,结果表明氦离子注入过程产生了其他晶相结构;氦离子注入会导致硅材料表面膨胀,应力分析发现在氦离子注入单晶硅之后会产生拉应力,多集中于损伤部位。氦离子注入硅后会诱导空位缺陷产生,空位会结合形成空位团簇,其中双空位团簇数目最多,且和氦离子之间的相对距离最近,说明双空位与氦结合形成氦泡的几率更大。(2)基于高精度氦离子显微镜开展了氦离子注入单晶硅的实验研究,采用拉曼光谱无损表征对实验样品进行了分析。拉曼光谱表征实验结果发现,离子注入区域发现了非晶硅和SiⅢ相的峰位信号;氦离子注入单晶硅后,单晶硅的520.7cm拉曼峰位向左发生了偏移,样品损伤区形成了局部拉应力;随着注入氦离子的剂量增大,单晶硅峰位频移情况加剧,非晶硅信号增强。(3)基于分子动力学仿真对硅材料中的位错缺陷进行了研究,建立含有位错结构的氦离子轰击硅的MD模型,模拟氦离子注入过程中发现位错缺陷会加剧硅材料损伤,同时位错缺陷对氦离子具有一定的聚集作用,位错越靠近注入的氦离子源,滞留在硅材料中的氦离子数量越多,氦离子的聚集程度越强。

关键词：单晶硅氦离子注入分子动力学仿真拉曼光谱表征位错结构

氘化及氦离子注入对钪膜的表面形貌和相结构的影响

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物理学报 2012年第17期61卷 396-402页

作者：彭述明申华海龙兴贵周晓松杨莉祖小涛中国工程物理研究院核物理与化学研究所绵阳621900 电子科技大学物理电子学院成都610054

采用XRD,SEM,AFM等详细研究了氘化及氦离子注入对钪膜的表面形貌和相结构的影响.结果表明,在单晶硅及抛光Mo基片上制备的钪膜均具有(002)晶面择优取向;钪膜氘化后表面会出现大量孔洞,氘化后氘化钪(ScD2)晶粒长大,但内部会残留少量未完... 详细信息

采用XRD,SEM,AFM等详细研究了氘化及氦离子注入对钪膜的表面形貌和相结构的影响.结果表明,在单晶硅及抛光Mo基片上制备的钪膜均具有(002)晶面择优取向;钪膜氘化后表面会出现大量孔洞,氘化后氘化钪(ScD2)晶粒长大,但内部会残留少量未完全氘化反应的晶粒尺寸较小的ScD_(0.33)/Sc晶粒;氦离子注入对钪及氘化钪的表面形貌没有明显影响,离子注入的氦将在钪及氘化钪晶格中聚集成泡,导致氦离子注入层中的钪及氘化钪衍射峰向低角度偏移,并且氦泡的聚集具有择优取向性.

关键词：钪膜氘化氦离子注入表面形貌

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常温氦离子注入纳米钛膜的微结构分析

原子能科学技术 2002年第4期36卷 388-392页

作者：郑思孝罗顺忠刘仲阳龙兴贵王培禄彭述明廖小东刘宁四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室四川成都610064 中国工程物理研究院核物理与化学研究所四川绵阳621900

在常温下 ,用 2 0 0、10 0keVHe离子按He Ti原子浓度比 0 1、0 3和 0 2的剂量注入纳米钛膜 ,采用现代表面分析技术对试样进行形貌观察与微观分析。测试分析结果表明 :注入前 ,沉积膜的原子力显微镜 (AFM )形貌像呈现从几十至 2 0 0n... 详细信息

在常温下 ,用 2 0 0、10 0keVHe离子按He Ti原子浓度比 0 1、0 3和 0 2的剂量注入纳米钛膜 ,采用现代表面分析技术对试样进行形貌观察与微观分析。测试分析结果表明 :注入前 ,沉积膜的原子力显微镜 (AFM )形貌像呈现从几十至 2 0 0nm以上极不均匀的晶粒尺度 ;注入后 ,3个试样的晶粒均有所长大 ,且随着注入剂量的增加 ,其长大趋势更为明显。这些长大的晶粒中同时存在大量的亚结构 ,表明在高剂量氦离子注入下 ,导致出现表层晶粒细化现象 ;He离子注入后的试样在衍射角 15°～ 40°之间出现可辨的衍射峰 ,其膜层内的平均晶粒尺寸约 13 6nm ,说明经离子注入后 ,膜层内纳米粒子的结晶度得到进一步提高 ,晶粒度比注入前长大。

关键词：氦离子注入纳米钛膜微结构分析表面分析贮氢材料

不同温度条件下氦离子注入对Ti6Al4V合金力学性能的影响

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不同温度条件下氦离子注入对Ti6Al4V合金力学性能的影响

“创新——核科学技术发展的不竭源泉”——中国核学会2009年学术年会

作者：陈善华吴勇 G.Schumacher 成都理工大学材料与化学化工学院四川省核学会核燃料与材料专委会成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室

在室温和400～700℃温度条件下,采用1×1 017离子/cm注入剂量和200 keV加速电压对Ti6Al4V合金进行了氦离子注入。分别采用纳米硬度仪和X射线衍射方法对Ti6Al4V合金的氦离子注入表面层(≤700 nm)进行了纳米硬度、弹性模量测试和物相分析... 详细信息

在室温和400～700℃温度条件下,采用1×1 017离子/cm注入剂量和200 keV加速电压对Ti6Al4V合金进行了氦离子注入。分别采用纳米硬度仪和X射线衍射方法对Ti6Al4V合金的氦离子注入表面层(≤700 nm)进行了纳米硬度、弹性模量测试和物相分析。结果表明,在室温至600℃温度范围内,氦离子注入温度越高,Ti6Al4V合金注入层的硬度也越高,而其弹性模量则变小。氦离子注入温度为700℃时,Ti6Al4V合金发生了软化,其弹性模量也有所提高。氦离子注入引起的硬化现象与点缺陷和Ti6Al4V合金中β相的析出有关,而软化现象则与β相的粗化和γ-TiH相的形成有关。

关键词： Ti6Al4V合金氦离子注入纳米硬度弹性模量物相分析

来源： cnki会议评论

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硅中氦离子注入所产生的微孔结构的吸杂作用

Journal of Semiconductors 1999年第6期20卷 448-451页

作者：闵靖朱剑豪吕翔上海市计量测试技术研究院材料分析室香港城市大学物理和材料科学系美国加州大学伯克利分校电工和计算机科学系

高剂量氦离子注入和退火在硅中形成了氦微气泡（ｂｕｂｂｌｅ）和微孔（ｃａｖｉｔｙ）．我们用剖面透射电镜显示了微孔的形貌．二次离子质谱和卢瑟福背散射测试表明氦注入引起的微孔层对铜和金有明显的吸杂作用，且在１２００℃高温下... 详细信息

高剂量氦离子注入和退火在硅中形成了氦微气泡（ｂｕｂｂｌｅ）和微孔（ｃａｖｉｔｙ）．我们用剖面透射电镜显示了微孔的形貌．二次离子质谱和卢瑟福背散射测试表明氦注入引起的微孔层对铜和金有明显的吸杂作用，且在１２００℃高温下吸杂仍具有稳定性．我们还与带氧沉淀的样品作了吸杂效果的比较．

关键词：硅氦离子注入微孔结构吸杂

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铒、钪膜中离子注入氦的热解析行为

强激光与粒子束 2012年第5期24卷 1169-1172页

作者：周晓松申华海彭述明龙兴贵杨莉祖小涛中国工程物理研究院核物理与化学研究所四川绵阳621900 电子科技大学物理电子学院成都610054

采用热解析法初步研究了铒、钪膜中离子注入氦的热解析行为。研究结果表明:同种元素铒中离子注入氦的热释放峰位相同,但膜的致密性将影响氦的释放量,结构疏松的膜中存在的孔洞是氦的快速释放通道;在相同注入剂量和能量条件下,铒、钪膜... 详细信息

采用热解析法初步研究了铒、钪膜中离子注入氦的热解析行为。研究结果表明:同种元素铒中离子注入氦的热释放峰位相同,但膜的致密性将影响氦的释放量,结构疏松的膜中存在的孔洞是氦的快速释放通道;在相同注入剂量和能量条件下,铒、钪膜中注入氦的热释放峰位不同,这可能与氦在铒、钪膜中的深度分布及膜的致密性有关,利用质子增强背散射法测量出能量为60keV的4 He+在铒、钪膜中的注入深度分别为210,308nm。

关键词：铒膜钪膜氦离子注入热解析氦泡

H等离子体处理对Si中He注入空腔引起的效应

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高能物理与核物理 2005年第5期29卷 524-529页

作者：刘昌龙 E.Ntsoenzok D.Alquier 天津大学理学院物理系 CERI/CNRS 3A rue de la Férollerie 45071 Orléans Cedex 2 France LMP/STMicroelectronics 16 rue Pierre et Marie Curie B. P. 7155 F37071 Tours Cedex France

室温下分别采用40,160和1550 keV的He离子注入单晶Si样品到相同的剂量5×1016cm-2,部分经He注入过的样品然后再分别接受高密度H等离子体处理.利用透射电子显微镜分析比较了随后800℃高温退火引起的空腔形成.结果表明,附加的H等离子体处... 详细信息

室温下分别采用40,160和1550 keV的He离子注入单晶Si样品到相同的剂量5×1016cm-2,部分经He注入过的样品然后再分别接受高密度H等离子体处理.利用透射电子显微镜分析比较了随后800℃高温退火引起的空腔形成.结果表明,附加的H等离子体处理对空腔生长所产生的效应明显地依赖于He离子的能量.对于40 keV He离子注入,空腔的形成和热生长似乎不受H等离子体处理的影响,而对于160 keV He离子注入,附加的等离子体处理则促进了空腔的生长并伴随着空腔分布区域的变窄.对于1550 keV He离子注入,H等离子体处理对空腔产生的效应介于40和160 keV注入情况之间.结合H等离子体处理在Si中所引起的缺陷的产生及其热演变过程对实验结果进行了讨论.

关键词： H等离子体处理单晶硅氦离子注入透射电子显微镜半导体工艺