氧化鋅質子輻照效應的SRIM模擬研究

王旭東,程 遠,孟惠民,俞宏英,樊自拴,顧鵬飛

(北京科技大學材料科學與工程學院,北京,100083)

氧化鋅是一種直接寬禁帶半導體材料,通常為六角晶系纖鋅礦結構,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、全色顯示、光通訊、節能白光照明等領域具有廣闊的應用前景。在外空間應用上,Look等[1-3]研究發現氧化鋅的抗位移輻照損傷性能優于Si、GaAs、CdS、GaN等其他半導體材料,可作為航天器材料或器件在外空間輻照環境下使用。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致的位移損傷上,并發現了輻照誘發的氧空位(VO)[4]、鋅空位(VZn)[5-6]、間隙鋅(Zni)[1]和Frenkel pairs[1]等點缺陷。實際上,質子的靜止質量約為電子的1 836倍,氧化鋅的質子輻照損傷更大[2,7]。電子、質子是外空間中主要的帶電粒子,研究氧化鋅的電子、質子輻照損傷效應和機制對氧化鋅的空間應用具有重要的指導意義。為此,本文利用SRIM軟件,模擬氧化鋅的質子輻照過程,計算質子在氧化鋅中的能量傳遞、能量損失、射程以及氧化鋅對質子的核阻止本領和電子阻止本領,并從微觀上反映了入射質子與氧化鋅之間的交互作用,以期為氧化鋅在外空間應用中的材料設計和性能退化研究提供基礎性數據。

1 計算模擬方法

計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。計算模擬中選定的質子能量分別為10、30、50、70、90、110 keV。在地球同步軌道中,10～110 keV質子是空間質子輻照環境的重要組成部分,其通量達到107cm-2·s-1左右,約占0.01～1.0 M eV質子通量的40%[8]。計算模擬采用SRIM-2003軟件。SRIM-2003軟件基于Monte Carlo方法,是目前國際上通用的計算帶電粒子在靶材中入射和能量傳遞的計算機程序[9]。筆者研究的重點是通過模擬入射質子與氧化鋅之間的交互作用來分析確定氧化鋅的質子輻照損傷機制和輻照損傷區,計算的具體參數包括核阻止本領、電子阻止本領、能量損失分布和射程等。

2 結果與討論

質子輻照下,氧化鋅的輻照損傷源于質子與氧化鋅的交互作用,即入射質子在沿其運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。從輻照損傷效應來看,質子與氧化鋅的交互作用主要有電離和位移兩種形式:①電離是指入射質子與氧化鋅的核外電子發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位移是指入射質子與氧化鋅的原子核發生彈性碰撞而使Zn、O原子脫離原有位置的過程,其輻照損傷表現為在氧化鋅中產生空位、間隙原子、弗倫克爾對、雙空位或空位/雜質原子對等。質子輻照下,氧化鋅的輻照損傷是以電離效應為主、還是以位移效應為主,均與質子傳遞給氧化鋅晶格原子的能量有關,只有傳遞的能量大于Zn、O原子的位移閾能時,才有可能發生位移損傷。

當入射質子與氧化鋅晶格原子發生彈性碰撞時,根據能量和動量守恒定律,質子傳遞給晶格原子的能量為[10]

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

圖1為φ=0°時10～110 keV質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,彈性碰撞中質子傳遞給Zn、O原子的最大能量都是隨著質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,且由于原子質量的原因,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

為進一步分析氧化鋅的輻照損傷類型,分別計算了氧化鋅的阻止本領和入射質子的能量損失。阻止本領可由入射質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子的阻止能力。圖2為不同能量質子輻照下氧化鋅的核阻止本領和電子阻止本領。核阻止本領反映了質子與氧化鋅晶格原子核碰撞時引發的彈性能量損失。由圖2可看出,對于10～110 keV的質子,氧化鋅的核阻止本領小于2 eV/nm,并隨著質子能量的增加而下降。電子阻止本領反映了質子與氧化鋅晶格原子核外電子碰撞時引發的非彈性能量損失;對于10～110 keV的質子,氧化鋅的電子阻止本領在80～170 eV/nm范圍內,并隨著質子能量的增加而先明顯增強而后逐漸趨于一個恒定的極大值。對比后可見,氧化鋅對10～110 keV質子的電子阻止本領遠大于核阻止本領。在質子輻照過程中,表明氧化鋅對入射質子的阻止、慢化主要是源于氧化鋅核外電子與質子之間的交互作用。

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

能量損失計算結果同樣表明了輻照過程中質子的能量損失主要是由入射質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子與氧化鋅的核外電子發生非彈性碰撞而與電離相關的能量損失。位移損失是指由于入射質子與氧化鋅的原子核發生彈性碰撞而與位移相關的能量損失。圖3為氧化鋅中質子電離損失和位移損失的百分率。由圖3可看出,10～110 keV質子輻照下,93%～99%的質子能量損失用于氧化鋅的電離過程,只有0.01%～0.09%的質子能量損失用于氧化鋅的位移過程。綜合以上能量傳遞、阻止本領和能量損失結果發現,雖然彈性碰撞中質子傳遞的最大能量遠大于Zn、O原子的位移閾能,但10～110 keV質子輻照下氧化鋅的輻照損傷主要是電離效應。

輻照損傷區是材料輻照效應研究中的重要內容,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。在經過與氧化鋅原子核、核外電子的多次碰撞后,質子在氧化鋅中的終止位置相對于入射點(0,0,0),可用三維坐標來描述。圖4為10～110 keV質子輻照下入射質子在氧化鋅中的終止位置,其中XY平面為靶材平面,Z軸為質子的入射方向,各能量下入射的質子數均為10 000個。X、Y軸坐標描述質子終止位置在靶材平面上偏離入射點的程度。由圖4可看出,由于入射質子與氧化鋅的多次碰撞,質子在氧化鋅中并未沿著入射方向直線運動,質子的終止位置在靶材平面上偏離了入射點,偏離程度隨著質子能量的增加而增大。Z軸坐標描述質子在靶材中的投影射程。由于每個入射質子在氧化鋅中的碰撞次數以及每次碰撞的能量損失都不是恒定的,因此,10 000個質子在氧化鋅中的投影射程是離散的。

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

圖4 質子在ZnO中的終止位置Fig.4 Final positions of the protons in ZnO

圖5為10～110 keV質子在氧化鋅中的平均投影射程及其與質子能量關系的線性擬合結果。由圖5可看出,10～110 keV質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子能量的增加而線性增大,并滿足如下函數關系:

式中:Rp為平均投影射程,nm;Ep為入射質子能量,keV。

氧化鋅的光學厚度約為60μm[13],10～110 keV質子的輻照損傷區在光學厚度之內,因此10～110 keV質子輻照能夠模擬氧化鋅在外空間的光學退化。

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

3 結論

(1)10～110 keV質子輻照下,入射質子與氧化鋅之間的交互作用主要體現在質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為主,電子阻止本領遠大于核阻止本領,電離損失遠大于位移損失。

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

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