Способ определения энергетических параметров межузельных атомов в металлах

 

Изобретение относится к радиационной физике твердого тела и может быть использовано, в частности, для определения энергетических параметров межузельных атомов в металлах методом автоионной микроскопии Способ заключается в следующем: облучают образцы - острия в автоионном микроскопе собственными ионами энерги

СО10Э СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„ l405623

А1 (51)5 ll 01 3 37 285

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ. (46) 30.08.90. Бюл, В 32 (21) 4152986/24-21 (22) 25. 11. 86 (72) А.Л. Суворов, Ю. В.Трушин и Д.Е.Долин (53) 621.385 ° 833(088.8) (56) Кирсанов В.В. и др. Процессы радиационного дефектообразования. в металлах. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

Scanlan R.È. аа An in situ field

ion microscope study of irradiated, tungsten Philos. Nag. 1971. к 23, р.1439.. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МЕЖУЗЕЛЬНЫХ АТОМОВ В

МЕТАЛЛАХ (57) Изобретение относится к радиационной физике твердого тела и может быть использовано, в частности, для определения энергетических параметров межузельных атомов в металлах методом автоионной микроскопии. Способ заключается в следующем: облучают образцы — острин в автоионном микроскопе собственными ионами энерги623

Е;„

1405 ей 20-100 кэВ при температуре, превыш ающей температуру конца дальней ми(r ации единичных межузельных атомов д я чистого металла и при флюенсе о лучения. равном величине,при кот рой средняя концентрация точек пов 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, достаточное я восстановления контраста изобраения и его фоторегистрации, строят гистограмму dN << = f(T), где Аорт риращение точек повышенной яркости, температура, рассчитывают энерию Е ", миграции комплексов меж1а зельный атом-атом примеси и энергию

la связи этих комплексов Е 06

1 Г 2

kT (I + — — (r. — с )) 1пi — -i

2Т " 3

m 4 с и

E + k Т 1п (------- ), 16 епкин, ) а 2 1(1 я где а — межатомное расстояние в матрице; R, — средний радиус кривизны вершины острия; Тр — начальная температура образца в момент времени г-р, T асс температура максимума распределения А N « = f (Т); полное время подъема температуры;

N „ = Х а N qz — суммарное число точек повышенной яркости, появившееся на автономном изображении за время t

С а — концентрация примесей в материале; — скорость подъема температуры; 1 — число перескоков комплек" сов межузельный атом-атом примеси в единицу времени; n — параметр структуры1 k + = 1 (R ) ; 4;а стота колебаний атомов в комплексе, Способ имеет расширенные функциональные воэможности за счет определения искомых 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 автоионн и микроскопии и может быть использ звано для исследования влияния различного рода примесей на подвижность межузельных атомов в металлах, анал за возможности образования и температурной стабильности комплексов межузельный атом-атом примеси, в частности для определения энергетич еских параметров межузельных атомов в металлах методом автоионной микрос копии, Целью изобретения является расшир ение функциональных возможностей с пособа за счет определения искомых г1араметров для металлов, имеющих до ч,2...0,5 ат.Х примесей.

На фиг.1 приведена диаграмма изМенения температуры образца в процес с е его нагрева. На нем: Тр„, — оптимальная температура образца, при ко орой достигается атомарное разреше2 ние микроскопического изображения (Т „= 10-80 К); Т р — температура, при которой на автоионном изображении поверхности образца начинает фиксироваться появление точек повышенной яркости; Т вЂ” температура образца, при которой прекращается прирост числа точек повышенной яркости на автоионном изображении (dN q = 0);

10 dT — шаг подъема темйературы; соответствующий LIT временной шаг;

t — время фотографической экспози9 ции автоионных изображений; Э р 3, первая, вторая и т.д. Фотографиче15 ские экспозиции автоионного изображения до появления на нем точек повышенной яркости; 3, Э макс — Фото графические экспозиции, соответствующие условию I N qr О.

20 На фиг.2 приведена гистограмма прироста числа точек повышенной яркости йХ > на автоионном изображе нии одной и той же поверхности в про-! цессе ступенчатого нагрева образца.

45

50 з 14056

При облучении образцов-острий из металлов с небольшим уровнем примесей ионами матрицы энергией 20...100 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 иэохронного отжига) межузельных атомов Т <„ (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 часс . 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, 0 наоборот, распадаются при нагреве материала, установление численных значений соответствующих температур и энергий связи комплексов и их миграции.

Согласно предложенному способу, образцы облучают при температуре

Т „ Т „„; 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 C„, В этом случае можно считать, что все .примеси связаны с межузель, ными атомами. Использование же для облучения образцов собственных ионов . металла обеспечивает необходимое со23

4 хранение состава, т.е. не вносит новых примесей.

После облучения образца его начи нают нагревать. Характер подъема температуры обусловлен тем фактом, что начиная приблизительно с 100 К теряется атомарное разрешение автоионного микроскопа. Поэтому нагрев с постоянной скоростью Р необходимо периодически прерывать с тем, чтобы сфотографировать автоионное изображение при температуре Т „,, оптимальной для получения атомарного разрешения.

Скорость спада и подъема (воэвраще-( ния) :температуры 1 должна 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 .t э фотографической экспозиции автоионных изображений составляет 0,1-0,001 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 d Т составляют 1О-:30 К, а шаг по времени d t порядка 1-20 с (эти значения подбираются экспериментально) . Конечная температура Т составляет 0,3-0 5 от температуры плавления и соответствует ситуации, когда в результате очередного шага нагрева образца с выбранной скоростью, число N1т точек повышенной яркости на фиксируемом автоионном изображении не меняется, т.е. а Ы 1т=0.

В результате имеется набор (и „ „c+

+1) автоионных изображений одной и той же поверхности образца (и м „ число подъемов температуры со ско"ростью ). Беря последовательно пары соседних по экспозиции изображений, методом цветового выделения устанавливают для каждой пары приращение точек повьппенной яркости Л И

После этого строят гистрограмму

jlN qq = f/Т или, что то же, ЛК 11

=f (n) (см.фиг.2) .По гистограмме определяют суммарное число точек повы юуус шенной яркости N = 2 АЛ и

n= темпеРатуру Т „„,, соответствующУю максимуму в распределении ВИ т (Т)

5 1405

При 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 10 ентичных условиях и предварительо нагретых с линейной скоростью о температуры в райне Т„ „ . Испаяя импульсно с поверхности образца бразование (частицу, комплекс), оттственное за формирование на автонном изображении пятна повышенной я кости, определяя время его пролета .детектора, устанавливают химичес ую природу образонания. Если на ц тектор приходят и ион матрицы и ион п имеси — значит, к поверхности при н греве образца мигрируют указанные к мплексы; в противном случае при рег страции исключительно ионов мате- 25 р ала матрицы - межуэельные атомы.

Затеи проводится расчет искомых э ергетических параметрон межузельн !х атомов — энергии Е их связи ! III н комплексах с атомами примесей и

Тп

4 у э ергии Е; „миграции комплексов.

Для вывода соответствующих аналит чвскик выражений целесообразно иси льзовать хине!!ические уравнения, д ффузии:

623

С (е} - С;, const (-+ О) С,(g -0

С (t ) С )IIII! C III const р Где

С < - полная концентрация примесей.

-Е !

D = а !lIe I !% (al, где а — паI!I раметр решетки, Е; — энергия миграции межузельных атомов.

35 В случае низких температур диссоциация мала; (1) -a Ñ ° С + ! Cl 4Ià (t) y Ñ С

3t а (т) в;, к,.„

40 (2) 1

В;ц С;!!!1с !! ! Фа(t)

«1 (Т) > Dl„k

Е; fir (И

Р = а.!! е С ()

> дЕ (4) В них С <(t) - средняя концентрация передвижных межузельных атомов; С <(t) средняя концентрация ваканский;Сч(t)— средняя концентрация примесей сорта

"al С; (t) " средняя концентрация па движных комплексов межуэельиый ат ом — атом примеси; р 4 nr; г „ра диус зоны рекомбинации; () - -- — =- В С С вЂ” В С.k д (с)

1 1 ) 1

- а

4, и; е /kT(t) - кинетический коэФфициент диссоциации комплексов; .!, — частота колебаний атомов в комплексе (порядка дебаенской) п

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,„ - коэффициент диффу- зии комплексов)Начальные условия (в момент времени tо):

С,(3) = С >0. const у 0

При высоких те мпе ратур ах дис социация велика: где 4 — число перескоков атомон в единицу времени; — сила стоков дефектов j

) (j = i, ia).

Рассмотрим случай высоких темпе ратур, когда велика диссоциация и затруднен процесс комплексообразования:

a(C „Сп < xC . Пренебрегая членом

Ы С; С в уран не нии для С !, получим

1405623

-Е)аfa о (1а»Т + о)1

C+(t) C Са 4; n;(t" с ) е

Скорость вывода комплексов i< на поверхность будет (считаем, что, кроме поверхности, нет других стоков) 1а

5 () С С» е ) о. «»- - о) л»» Е fkT 1 - (е-»

b . т Ь () - <„а (t-Ф 1 -E g (tt (1 (-(,1)}

I верхность эа время г

Число комп ))ексов, вышедших на по о

М((г)- )да (г) чК) ((1 Ol 2

Ȕ

-Е;а f1 ò (1— л

3 i C 15k a(t t ) <о)1 (5) х е

Иэ равенства (5), где N (t) оп» ределяется экспериментально, получаем выражение для энергии миграции комплексов ( а К 1. (с — to)1 (6 (.а (t ) )а

U(t)/2 - объем полусферы иглы;

k, - 1/(,), R o — средний радиус острия.

R. =kT 1+ (t — t ) 1п(-— (tl lb 27) о 2To % ° о 3

| (здесь t +-, фиксированное время измерения N; (t)) °

Вторым условием можно взять равенство

I комнатной температуре. Микрозондо40 вый анализ природы частиц, выходящих на поверхность образца, нри его нагреве с линейно возрастающей температурой, не проводился. Флюенс об лучения составил 5 10 ион/м . Установленная объемная концентрация точек повьппенной яркости была равна концентрации примесей. Температура анал)»за образцов в автоионном микроскопе Т ()))) 78 К, t 60 с, И 10, )Ь 15 град/с, M 10 1/с, 10i 1/с, п(10, 1с» 1/R»

К о Ф 50 Нм. В предположении, что все наблюдавшиеся точки повьппенной яркости соответствуют комплексам межузельный атом — атом примеси,по уравнениям (6) и (7) получены следующие значения искомых энергетиче- ских параметров:

E ® и) 0,98 зВ; где Тщ„„ — температура максимума зависимости N;„(t) — см.фиг.2.

Тогда получаем выражение для энергии связи комплекса

Е, = Е, + kT 1п (— — -»- ) (7)

Ь. 4)ап; (сд )а факс )

Предложенный способ опробован на образцах иэ -технически чистого вольфрама с уровнем примесей порядка 0,2 ат.7 (основные примесищелочные металлы). Образцы облучены ионами W энергией 50 кэВ.при

При этом иэ (1) и (2) . S C;,(t) 2 о — С„(С). ! ,о л V,,а n. (» Ф ) Еiafa hi+ 2т (»»

Тогда С (t) С„(I -q< .о.(t — с ) а t< >) а " to е))

9 !4056

Е 22эВ.

Формула изобретения

Способ определения энергетических параметров межузельных атомов в металлах, включающий облучение образцов — острий в автоионном микроскопе собственными ионами энергией

20...100 кэВ, нагрев образцов с линейно возрастающей температурой при одновременном последовательном контроле автоионных изображений, подсчет числа 4И „„появляющихся на изображениях точек повышенной яркости, построение температурной зависимости d Ng и расчетное определение энергетических параметров межузельных атомов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения 20 функциональных возможностей эа счет определения искомых параметров для металлов, имеющих до 0,2...0,5 ат.й примесей, облучение образцов проводят при температуре, превышающей темпера- 2Б туру конца дальней миграции единичных межузельных атомов для чистого. метал ла, и при флюенсе облучения равном

1 величине, при которой средняя концен трация точек повышенной яркости до( стигает уровня концентрации примесей, при этом изменение температуры осуществляют ступенчато с шагом 4Т 10...30 К и скоростью 0,1;..1,0К/с

% при охлаждении образца после каждого шага до его начальной температуры на время, достаточное для восстановле, ния контраста изображения и его фоторегистрацин, а в качестве искомых параметров рассчитывают энергию Е „

23

ы

Е.1 1сТ (1 + — — (t — «))»

6l

2 ТО ж Ъ

2»

" " З (Ro) N + "1 ("» to)) и

Е;„- Е„+КТ 1 < — 41с(П 3 мекв, . ц а в (O где а — межатомное расстояние в матрице;

Я - средний радиус кривизны вершины острия;

Те - начальная температура образца в момент времени t t

Т „ - температура максимума распределения 4Я f (T);. t > - полное время подъема температуры;

KdN > - суммарное число точек повышенной яркости, появившихся на автоионном иэображении за время t <, концентрация примесей в материале; скорость подъема температуры3 число перескоков комплексов межуэельный атом — атом при" меси в единицу времени; параметр структуры;

1/(R ) ; частота колебаний атомов в комплексе.

n° I

КФ

1е е миграции комплексов межузельный атом— атом примеси и.энергию Е;„связи этих комплексов по следуннцим соотношейиям:

1405623

Составитель В.Гаврюшин

Корректор Э.Лончакова

Редактор О.Стенина Темред М,Дндшк

Тираж 403 Подписное

ВНИИППИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открьггий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 3092

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. р л. П оектная, 4