王旭東,程 遠(yuǎn),孟惠民,俞宏英,樊自拴,顧鵬飛

(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京,100083)

氧化鋅是一種直接寬禁帶半導(dǎo)體材料,通常為六角晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu),室溫帶隙寬度為3.37 eV,自由激子束縛能為60 meV,它在化工、信息存儲(chǔ)、全色顯示、光通訊、節(jié)能白光照明等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在外空間應(yīng)用上,Look等[1-3]研究發(fā)現(xiàn)氧化鋅的抗位移輻照損傷性能優(yōu)于Si、GaAs、CdS、GaN等其他半導(dǎo)體材料,可作為航天器材料或器件在外空間輻照環(huán)境下使用。近年來,針對氧化鋅的電子輻照損傷國外開展了大量的工作,研究主要集中在高能電子輻照導(dǎo)致的位移損傷上,并發(fā)現(xiàn)了輻照誘發(fā)的氧空位(VO)[4]、鋅空位(VZn)[5-6]、間隙鋅(Zni)[1]和Frenkel pairs[1]等點(diǎn)缺陷。實(shí)際上,質(zhì)子的靜止質(zhì)量約為電子的1 836倍,氧化鋅的質(zhì)子輻照損傷更大[2,7]。電子、質(zhì)子是外空間中主要的帶電粒子,研究氧化鋅的電子、質(zhì)子輻照損傷效應(yīng)和機(jī)制對氧化鋅的空間應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。為此,本文利用SRIM軟件,模擬氧化鋅的質(zhì)子輻照過程,計(jì)算質(zhì)子在氧化鋅中的能量傳遞、能量損失、射程以及氧化鋅對質(zhì)子的核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng),并從微觀上反映了入射質(zhì)子與氧化鋅之間的交互作用,以期為氧化鋅在外空間應(yīng)用中的材料設(shè)計(jì)和性能退化研究提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

1 計(jì)算模擬方法

計(jì)算模擬的對象為航天器熱控涂層所用的氧化鋅顏料,粉末粒徑為300 nm。計(jì)算模擬中選定的質(zhì)子能量分別為10、30、50、70、90、110 keV。在地球同步軌道中,10～110 keV質(zhì)子是空間質(zhì)子輻照環(huán)境的重要組成部分,其通量達(dá)到107cm-2·s-1左右,約占0.01～1.0 M eV質(zhì)子通量的40%[8]。計(jì)算模擬采用SRIM-2003軟件。SRIM-2003軟件基于Monte Carlo方法,是目前國際上通用的計(jì)算帶電粒子在靶材中入射和能量傳遞的計(jì)算機(jī)程序[9]。筆者研究的重點(diǎn)是通過模擬入射質(zhì)子與氧化鋅之間的交互作用來分析確定氧化鋅的質(zhì)子輻照損傷機(jī)制和輻照損傷區(qū),計(jì)算的具體參數(shù)包括核阻止本領(lǐng)、電子阻止本領(lǐng)、能量損失分布和射程等。

2 結(jié)果與討論

質(zhì)子輻照下,氧化鋅的輻照損傷源于質(zhì)子與氧化鋅的交互作用,即入射質(zhì)子在沿其運(yùn)行路徑上把能量傳遞給氧化鋅晶格中的鋅、氧原子,而其自身卻隨著能量的衰減速度逐漸減小而慢化,直至最后損失全部能量而停留在氧化鋅靶材中。從輻照損傷效應(yīng)來看,質(zhì)子與氧化鋅的交互作用主要有電離和位移兩種形式:①電離是指入射質(zhì)子與氧化鋅的核外電子發(fā)生非彈性碰撞而使電子脫離原子核的束縛而成為自由電子的過程,其輻照損傷表現(xiàn)為在氧化鋅中引入過剩的空穴和電子密度;②位移是指入射質(zhì)子與氧化鋅的原子核發(fā)生彈性碰撞而使Zn、O原子脫離原有位置的過程,其輻照損傷表現(xiàn)為在氧化鋅中產(chǎn)生空位、間隙原子、弗倫克爾對、雙空位或空位/雜質(zhì)原子對等。質(zhì)子輻照下,氧化鋅的輻照損傷是以電離效應(yīng)為主、還是以位移效應(yīng)為主,均與質(zhì)子傳遞給氧化鋅晶格原子的能量有關(guān),只有傳遞的能量大于Zn、O原子的位移閾能時(shí),才有可能發(fā)生位移損傷。

當(dāng)入射質(zhì)子與氧化鋅晶格原子發(fā)生彈性碰撞時(shí),根據(jù)能量和動(dòng)量守恒定律,質(zhì)子傳遞給晶格原子的能量為[10]

式中:ET為質(zhì)子傳遞給晶格原子的能量,eV;Mp為質(zhì)子的質(zhì)量,g;Mt為晶格原子的質(zhì)量,g;Ep為入射質(zhì)子的能量,eV;φ為晶格原子的反沖角,(°)。

圖1為φ=0°時(shí)10～110 keV質(zhì)子在彈性碰撞中傳遞給Zn、O原子的最大能量ET,max(Zn)和ET,max(O)。由圖1可看出,彈性碰撞中質(zhì)子傳遞給Zn、O原子的最大能量都是隨著質(zhì)子能量的升高而線性增大;ET,max(Zn)、ET,max(O)分別在600～6 598 eV和2 223～24 457 eV范圍內(nèi),且由于原子質(zhì)量的原因,ET,max(Zn)

圖1 彈性碰撞中傳遞給Zn、O原子的最大能量Fig.1 Maximum energies transferred to Zn and O atoms during elastic collisions

為進(jìn)一步分析氧化鋅的輻照損傷類型,分別計(jì)算了氧化鋅的阻止本領(lǐng)和入射質(zhì)子的能量損失。阻止本領(lǐng)可由入射質(zhì)子在單位路徑上的能量損失(-dE/dx)來描述,以反映氧化鋅原子和核外電子對入射質(zhì)子的阻止能力。圖2為不同能量質(zhì)子輻照下氧化鋅的核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng)。核阻止本領(lǐng)反映了質(zhì)子與氧化鋅晶格原子核碰撞時(shí)引發(fā)的彈性能量損失。由圖2可看出,對于10～110 keV的質(zhì)子,氧化鋅的核阻止本領(lǐng)小于2 eV/nm,并隨著質(zhì)子能量的增加而下降。電子阻止本領(lǐng)反映了質(zhì)子與氧化鋅晶格原子核外電子碰撞時(shí)引發(fā)的非彈性能量損失;對于10～110 keV的質(zhì)子,氧化鋅的電子阻止本領(lǐng)在80～170 eV/nm范圍內(nèi),并隨著質(zhì)子能量的增加而先明顯增強(qiáng)而后逐漸趨于一個(gè)恒定的極大值。對比后可見,氧化鋅對10～110 keV質(zhì)子的電子阻止本領(lǐng)遠(yuǎn)大于核阻止本領(lǐng)。在質(zhì)子輻照過程中,表明氧化鋅對入射質(zhì)子的阻止、慢化主要是源于氧化鋅核外電子與質(zhì)子之間的交互作用。

圖2 ZnO的核阻止本領(lǐng)和電子阻止本領(lǐng)Fig.2 Nucleus stopping power and electron stopping power of ZnO

能量損失計(jì)算結(jié)果同樣表明了輻照過程中質(zhì)子的能量損失主要是由入射質(zhì)子與氧化鋅核外電子之間的交互作用造成的。如果按照輻照損傷類型劃分,輻照過程中質(zhì)子的能量損失主要包括電離損失和位移損失。電離損失是指由于入射質(zhì)子與氧化鋅的核外電子發(fā)生非彈性碰撞而與電離相關(guān)的能量損失。位移損失是指由于入射質(zhì)子與氧化鋅的原子核發(fā)生彈性碰撞而與位移相關(guān)的能量損失。圖3為氧化鋅中質(zhì)子電離損失和位移損失的百分率。由圖3可看出,10～110 keV質(zhì)子輻照下,93%～99%的質(zhì)子能量損失用于氧化鋅的電離過程,只有0.01%～0.09%的質(zhì)子能量損失用于氧化鋅的位移過程。綜合以上能量傳遞、阻止本領(lǐng)和能量損失結(jié)果發(fā)現(xiàn),雖然彈性碰撞中質(zhì)子傳遞的最大能量遠(yuǎn)大于Zn、O原子的位移閾能,但10～110 keV質(zhì)子輻照下氧化鋅的輻照損傷主要是電離效應(yīng)。

輻照損傷區(qū)是材料輻照效應(yīng)研究中的重要內(nèi)容,入射粒子在靶材中的終止位置及其在入射方向上的投影射程可以直觀地反映材料的輻照損傷區(qū)。在經(jīng)過與氧化鋅原子核、核外電子的多次碰撞后,質(zhì)子在氧化鋅中的終止位置相對于入射點(diǎn)(0,0,0),可用三維坐標(biāo)來描述。圖4為10～110 keV質(zhì)子輻照下入射質(zhì)子在氧化鋅中的終止位置,其中XY平面為靶材平面,Z軸為質(zhì)子的入射方向,各能量下入射的質(zhì)子數(shù)均為10 000個(gè)。X、Y軸坐標(biāo)描述質(zhì)子終止位置在靶材平面上偏離入射點(diǎn)的程度。由圖4可看出,由于入射質(zhì)子與氧化鋅的多次碰撞,質(zhì)子在氧化鋅中并未沿著入射方向直線運(yùn)動(dòng),質(zhì)子的終止位置在靶材平面上偏離了入射點(diǎn),偏離程度隨著質(zhì)子能量的增加而增大。Z軸坐標(biāo)描述質(zhì)子在靶材中的投影射程。由于每個(gè)入射質(zhì)子在氧化鋅中的碰撞次數(shù)以及每次碰撞的能量損失都不是恒定的,因此,10 000個(gè)質(zhì)子在氧化鋅中的投影射程是離散的。

圖3 ZnO中質(zhì)子各種能量損失的百分率Fig.3 Percentage of various proton energy loss in ZnO

圖4 質(zhì)子在ZnO中的終止位置Fig.4 Final positions of the protons in ZnO

圖5為10～110 keV質(zhì)子在氧化鋅中的平均投影射程及其與質(zhì)子能量關(guān)系的線性擬合結(jié)果。由圖5可看出,10～110 keV質(zhì)子在氧化鋅中的平均投影射程介于90～700 nm之間,平均投影射程隨著質(zhì)子能量的增加而線性增大,并滿足如下函數(shù)關(guān)系:

式中:Rp為平均投影射程,nm;Ep為入射質(zhì)子能量,keV。

氧化鋅的光學(xué)厚度約為60μm[13],10～110 keV質(zhì)子的輻照損傷區(qū)在光學(xué)厚度之內(nèi),因此10～110 keV質(zhì)子輻照能夠模擬氧化鋅在外空間的光學(xué)退化。

圖5 質(zhì)子在ZnO中的平均投影射程Fig.5 Average projected range of the protons in ZnO

3 結(jié)論

(1)10～110 keV質(zhì)子輻照下,入射質(zhì)子與氧化鋅之間的交互作用主要體現(xiàn)在質(zhì)子與氧化鋅核外電子之間的非彈性碰撞,輻照損傷以電離效應(yīng)為主,電子阻止本領(lǐng)遠(yuǎn)大于核阻止本領(lǐng),電離損失遠(yuǎn)大于位移損失。

(2)10～110 keV質(zhì)子輻照下,氧化鋅的輻照損傷區(qū)主要集中在90～700 nm的射程范圍內(nèi)。根據(jù)氧化鋅的光學(xué)厚度來判斷,10～110 keV質(zhì)子輻照能夠模擬氧化鋅在外空間的光學(xué)退化。

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