МЕТОДЫ РАДИАЦИОННОЙ ФИЗИКИ
В Новосибирске состоялось выездное заседание научного совета РАН
по проблеме "Радиационная физика твердого тела".
А.Двуреченский, профессор,
член Научного совета РАН по проблеме
"Радиационная физика твердого тела"
Научный совет РАН по проблеме "Радиационная физика твердого тела"
занимается координацией фундаментальных и прикладных исследований
в области воздействия излучения на твердые тела. Совет объединяет
специалистов в области металлов, диэлектриков, полупроводников из
различных институтов РАН, Минобразования, а также организаций
Минатома. Председатель совета — член-корреспондент РАН
Б.Гощицкий (ИФМ РАН, Екатеринбург). По инициативе председателя
совета, заседания проводятся на местах проведения исследований.
Совет ежегодно меняет место проведения заседаний, последовательно
посещая основные центры, известные своими достижениями в области
радиационной физики. В текущем году местом проведения Совета стал
Новосибирск. Заседание проходило в ИФП СО РАН с 24 по 27 ноября.
* * *
Быстрые частицы (электроны, нейтроны, ускоренные ионы, гамма
кванты) при торможении в твердом теле возбуждают электронную
систему, а также передают в упругих столкновениях часть своей
энергии ядрам. Оба эти канала передачи энергии способны сильно
изменять свойства твердых тел. Последствия облучения могут носить
нежелательный характер, чаще известный в живой природе по
печальным событиям, связанным с техногенными катастрофами. Не
менее серьезно обстоит дело с конструкционными материалами,
материалами полупроводниковой электронной техники. Особенно
чувствительны к радиационному воздействию полупроводники,
изменение электронных свойств которых начинается уже при
небольших дозах облучения. Поскольку современная электроника
основана на полупроводниковых материалах, то совершенно очевидно,
что проблема радиационной стойкости изделий электронной техники
всегда находится в центре внимания специалистов в области физики
твердого тела. Металлы менее чувствительны к радиационному
воздействию, по сравнению с полупроводниками. Однако
долговременный характер воздействия излучения ядерных реакторов
на конструкционные материалы приводит к их "распуханию",
изменению хрупкости (физики этой области говорят об
"охрупчивании"). Поэтому проблема радиационной стойкости
актуальна и для металлических изделий.
Основная причина изменения свойств материалов связана с введением
дефектов при радиационных воздействиях. Точечные дефекты,
характерный размер которых сравним по порядку величины с
межатомным расстоянием, их эволюция представляют достаточно
обширную область исследований физики твердого тела. От простейших
представлений о формировании вакансий и междоузельных атомов,
появившихся в регулярной кристаллической решетке при передаче
энергии от быстрых частиц, радиационная физика перешла к описанию
системы дефектов в терминах ди-, три-, тетра-, пентавакансий,
димеждоузлий и более сложных междоузельных комплексов. Атомная
конфигурация для многих точечных дефектов достаточно хорошо
установлена. Причем методически оказалось значительно легче
построить атомную конфигурацию дефектов в полупроводниках. Первое
место по числу установленных геометрических конфигураций точечных
дефектов принадлежит кремнию — основному материалу современной
полупроводниковой техники. Спектр формирующихся дефектов
значительно расширяется при введении в материал легирующих
элементов. Движущей силой таких исследований является желание
физиков управлять эволюцией в системе дефектов твердого тела,
чтобы получать материал с заданными свойствами. Без успехов в
этом направлении радиационная физика твердого тела оставалась бы
достаточно академичным занятием, не представляющим интереса для
практических применений.
Успехи были, и время от времени сопутствуют исследователям в
настоящее время. Примером гигантского успеха стала ионная
имплантация — введение легирующих элементов с помощью пучка
ускоренных ионов на выбранную глубину и с заданной концентрацией.
Этот способ, предложенный российскими учеными (Р.Коноплева), был
встречен с изрядной долей скептицизма, основа которого была
очевидна: на один внедренный элемент приходилось более тысячи
смещенных из решетки атомов (дефектов) легируемого материала. На
проводимых в семидесятые годы в Новосибирске семинарах по
радиационной физике (под руководством профессора Л.Смирнова —
основателя школы радиационной физики полупроводников в
Новосибирске) представители электронной промышленности прямо
говорили, что этот метод представляет интерес лишь для
академических исследований. Тридцать лет спустя можно уверенно
утверждать, что без ионной имплантации невозможно было достичь
современных уровней быстродействия и интеграции функциональных
устройств, повсеместно используемых в компьютерах, средствах
связи, измерительной технике.
Для металлов облучение ионами оказалось эффективным способом
упрочнения поверхности. В результате многократно повышалась
износоустойчивость металлических частей различных машин и
движущихся устройств.
Другим примером может служить нейтронное легирование
полупроводников: превращение в результате ядерной реакции изотопа
полупроводникового материала в легирующий элемент. Здесь также
пришлось пройти достаточно сложный путь преодоления проблем
дефектов в материале, чтобы получить кремний с высокой степенью
однородности в пространственном распределении легирующих
элементов, необходимый для приборов силовой электроники.
В настоящее время радиационная физика вносит весомый вклад в
развитие новой области науки, получившей название нанофизики и
связанной с ней прикладной областью — наноэлектроники. Речь идет
об области знаний, изучающей явления в структурах, имеющих
характерные размеры, сравнимые с длиной волны де Бройля, и
использовании этих явлений в развитии полупроводниковой
электроники. Примером успешного применения методов радиационной
физики здесь могут служить подходы в создании структур
кремний-на-изоляторе. Ионная имплантация водорода в кремний
обеспечивает управляемый скол тонкого слоя по плоскости залегания
водорода, что составляет основу способа получения структур
кремний-на-изоляторе. Развитие этого способа в ИФП СО РАН
позволило получить ультратонкие (около 10 нанометров) слои
кристаллического кремния, находящегося на пленке двуокиси
кремния. Такие структуры позволили создать нанотранзисторы,
обладающие повышенной радиационной стойкостью.
На заседаниях выездной сессии обсуждались важнейшие результаты в
области радиационной физики твердого тела за 2002 год.
Организаторы сессии представили несколько докладов для
ознакомления с работами ИФП СО РАН. Большой интерес вызвал доклад
кандидата физико-математических наук Л.Фединой, посвященный
исследованию дефектов в кремнии методом высокоразрешающей
электронной микроскопии. Новые возможности по повышению
радиационной стойкости кремниевых структур были представлены в
докладах доктора физико-математических наук А.Французова и
кандидата физико-математических наук П.Антоновой. Члены совета
познакомились с новыми возможностями в постановке экспериментов
на основе терагерцового излучения лазера на свободных электронах
(д.х.н. А.Петров, ИХКиГ СО РАН).
стр. 2
|
