荷能Xe离子注入SiC中缺陷和力学性能演化行为的研究

• 作 者: 李健健
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 碳化硅 离子注入 荷能Xe离子 缺陷演化 Raman光谱 纳米硬度 力学性能

碳化硅(SiC)有着良好的物理和化学性质，这使它在半导体和核能工业等领域有着广泛的应用前景。研究载能离子辐照对SiC微观结构的损伤及宏观性能的改变规律，为这类材料的应用有着重要的意义。本论文的研究主要围绕载能Xe离子辐照SiC晶体引起的微结构损伤、缺陷积累和演化及力学性能的变化行为开展的。　　
实验利用多个动能(3.8-8MeV范围)的Xe离子在选定剂量下依次注入6H-SiC样品，使Xe原子浓度在样品深度850-1800nm范围内均匀分布，并且使Xe原子浓度分别达到7.5，30和150at.ppm;退火实验在真空下进行，退火温度分别为773，1073和1373K;利用高分辨XRD，拉曼光谱和透射电镜(TEM)研究了辐照和退火前后SiC的微结构损伤、缺陷积累和演化行为，并且利用纳米压痕仪研究了SiC相应力学性能的变化。　　
在7.5at.ppmXe浓度的样品中，HRXRD与拉曼光谱的结果表明SiC的晶格损伤主要体现在晶格发生膨胀性应变上，而TEM的结果表明损伤的程度还没有达到完全无序性。缺陷的类型主要以点缺陷为主，间隙型缺陷是SiC辐照之后晶格膨胀主要原因。在退火的过程中，各种缺陷发生进一步的扩散、复合，使晶格损伤逐渐恢复。晶格应变的恢复符合Arrhenius定律。由此得到了晶格应变的表观激活能，该数值小于理论计算的间隙子的迁移能。　　
拉曼光谱和TEM的结果表明在30和150at.ppm注Xe浓度的样品中都出现了非晶层，其中30at.ppm注Xe浓度样品中出现的是非晶化的埋层，而150at.ppm注Xe浓度样品中从表面延伸的注入区域已经全部非晶化。HRXRD结果表明:在退火之后在(00012)主峰附近重新出现的卫星峰可能来自非晶层和晶体层之间过渡区域的应变晶体埋层。卫星峰对应的晶格应变值随着退火温度升高而减小，并且与注入的剂量无关。另外，拉曼光谱结果表明C类缺陷在退火温度为773-1073K已开始迁移，而Si类缺陷明显的迁移发生在1373K。最后TEM的结果表明非晶化是辐照肿胀的原因之一。　　
辐照引起SiC微结构的损伤导致了力学性能的改变。低剂量注入的样品(7.5at.ppmXe)的纳米硬度明显超过了空白样品，而对于出现非晶化的样品（30和150at.ppmXe)，当样品注入区域完全非晶化的时候，纳米硬度下降了45％左右。基于对微观结构变化的了解，对上述样品的硬化/软化行为进行了讨论。