質子對碲鋅鎘輻照損傷的SRIM模擬

朱 岳, 趙廣義, 汪宏年

(吉林大學 物理學院, 長春 130012)

碲鋅鎘(CdZnTe, CZT)是一種室溫半導體核輻射探測器制作材料, 其制成的探測器具有探測效率高、吸收系數大、計數率高、體積小及使用方便等優點[1]. CZT探測器廣泛應用于醫學、天文和安全防護等領域, 如探測SIMBOL-X宇宙X射線[2]、GRI宇宙γ射線[3]及NuSTAR的X射線等[4]. 在0.5天文單位(AU)內的宇宙空間中執行任務時, 質子可導致多種探測器的輻照損傷[5]. 地球同步軌道的質子積分通量能譜[6]表明, 在質子總通量中能量為0.01～1 MeV的低能質子較多, 能量為10～110 keV的質子約占其40%[7]. 本文用離子在物質中的阻停和射程(SRIM)-2013程序模擬10～100 keV內不同能量和入射角的質子對CZT的輻照損傷效應, 并與半導體料金剛石(C)與硅(Si)進行比較, 分析CZT的抗輻照能力. 由于SRIM程序已成功模擬多種材料的輻照損傷[8-10], 且本文在模擬計算中用位移閾能為實驗值, 因此模擬結果更接近實際情況, 可對CZT在外空間材料性能的退化研究及探測器的設計提供基礎數據.

1 模擬過程及所需設定參數

按化學式Cd0.9TeZn0.1中的比例設置CZT材料的元素組成, 由獻[11]確定其密度為5.78 g/cm3. 在使用SRIM軟件時需設定位移閾能、表面閾能和晶格閾能3個參數. 本文表面閾能采用文獻[12]的數值： 碲(Te)為4.28 eV； 鋅(Zn)為1.61 eV； 鎘(Cd)為0.9 eV. 位移閾能采用文獻[13-15]的數值: Te為7.8 eV； Cd為5.6 eV； Zn為7.35 eV； 金剛石中C的位移閾能為35 eV； Si的位移閾能為20 eV. 入射粒子的數目設為軟件默認最大值99 999. 為便于觀察靶的最大深度, 將其設為可記錄所有入射粒子運動軌跡的最小值.

用SRIM程序的全級聯損傷模式模擬研究質子在CZT中的射程分布、空位產生情況及核阻止與電子阻止本領； 用表面濺射模式模擬計算CZT的表面濺射產額.

2 結果與討論

2.1 不同能量質子在CZT材料中的能量損失

SRIM程序模擬離子在靶中運動時, 離子在靶中的作用主要分為兩類： 1) 與靶中原子的核外電子發生非彈性碰撞, 使電子激發或電離； 2) 與靶中原子核發生彈性碰撞, 使原子核脫離原位置產生空位. CZT靶阻止本領與質子入射能量的變化關系如圖1所示, 其中靶對質子的核阻止與電子阻止本領用質子在靶中與原子核及核外電子作用損失的能量關于射程的微分(dE/dx)表示. 由圖1可見: CZT對質子的電子阻止本領遠大于核阻止本領; 當入射質子的能量逐漸增大時, CZT的電子阻止本領先增大后趨于定值, 核阻止本領逐漸減小. CZT靶能量損失率與質子入射能量的變化關系如圖2所示, 其中： 橫坐標為入射質子能量; 縱坐標為電離能損與位移能損占入射質子總能量的百分數. 由圖2可見： 電離能損約占97%以上, 遠大于位移能損, 且隨能量的增加而增加； 位移能損小于1%, 隨著入射質子能量的增加, 位移能損逐漸降低, 這也是空位數隨能量增加, 但增加率逐漸降低的原因.

圖1 CZT靶阻止本領與質子入射能量的變化關系Fig.1 Relationship between stopping power of CZT target and incident energy of protons

2.2 不同能量質子輻照CZT及其他材料產生的空位數

不同能量(20,40,60,80 keV)質子垂直入射CZT靶產生的空位數隨入射深度的變化關系如圖3所示, 其中: 橫坐標為空位所在靶深; 縱坐標為平均一個入射粒子在靶單位厚度(0.1 nm)中產生的空位數.

圖2 CZT靶能量損失率與質子入射能量的變化關系Fig.2 Relationship between energy loss rates of CZT target and incident energy of protons

圖3 不同能量質子垂直入射CZT產生的空位數與入射深度的變化關系Fig.3 Relationship between number of vacancies generated by different energy protons vertical incidence and incident depth in CZT target

圖4 不同能量質子入射CZT,Si和金剛石(C)靶產生的空位數 Fig.4 Number of vacancies generated by different energy protons vertical incidence in CZT,Si and diamond(C) target

由圖3可見, 在CZT靶中Te的含量最多, 但Te的位移閾能7.8 eV大于Cd的位移閾能5.6 eV, 使得Cd的空位數最多, Zn的空位數最少, 這是由于元素的含量和位移閾能共同影響所致. 隨著入射質子能量的增大, 靶中空位分布的峰值所在深度逐漸增加, 20～80 keV能量質子入射空位峰值所在深度為150～620 nm.

不同能量質子入射CZT,Si和金剛石(C)靶產生的空位數如圖4所示, 其中: 橫坐標為入射粒子的能量； 縱坐標為平均一個入射粒子在靶中產生的空位數. 由圖4可見： 3種不同材料受質子輻照產生的空位數均隨入射質子能量的增加而增大, 其中CZT遠高于Si和金剛石(C)的增加幅度, 表明CZT空位數受入射質子能量變化影響更大; CZT遠高于Si和金剛石(C)靶產生的空位數, 最高可達Si和金剛石(C)的4倍, 表明CZT低于Si和金剛石(C)的抗輻照性能.

2.3 不同入射角度的質子輻照CZT及其他材料產生的空位數

當10 keV質子以不同角度(20°,40°,60°,80°)入射CZT靶時, 其產生的空位數隨靶深度的變化關系如圖5所示, 其中： 橫坐標為空位所在靶深; 縱坐標為平均一個入射粒子在靶的單位厚度(0.1 nm)中產生的空位數. CZT靶的最大厚度均設為400 nm. 由圖5可見： 當入射角較小時, 空位數隨深度變化的分布改變不明顯, 入射角大于60°時空位數發生明顯變化； 隨著入射角的增大, 空位分布峰值所在深度值逐漸減小, 這是由于入射粒子的投影射程減小所致.

圖5 10 keV質子以不同角度入射CZT靶產生的空位數與深度的變化關系Fig.5 Relationship between number of vacancies and depth for 10 keV protons at different incident angles in CZT target

10 keV質子以不同角度入射CZT,Si和金剛石(C)靶產生的空位數如圖6所示, 其中: 橫坐標為粒子入射角; 縱坐標為平均一個入射粒子在靶中產生的空位數. 由圖6可見： CZT遠高于Si和金剛石(C)靶產生的空位數; 當質子入射角較小時, CZT靶內生成的空位數變化較小, 當入射角大于60°時, 空位數發生明顯變化.

2.4 不同能量質子輻照CZT的濺射產額

濺射是指固體材料表面受入射粒子輻照, 其表面或近表面的原子受轟擊從靶中脫離的現象； 濺射產額表示平均一個入射粒子濺射的平均靶原子數. CZT靶濺射產額與入射質子能量的變化關系如圖7所示, 其中： 橫坐標為入射粒子的能量; 縱坐標為平均一個入射粒子引發的濺射原子數. 由圖7可見： Cd遠大于Te和Zn的濺射產額, Zn的濺射產額最少, 這是由于CZT的元素組成及表面閾能共同影響所致; CZT中各元素的濺射產額均隨質子能量增大先增加后減少； 當質子能量為2 keV時, 濺射產額達到最大值； 當質子能量增大到一定程度時, 出現離子注入現象, 使濺射產額呈下降趨勢. 將質子輻照CZT的濺射產額與產生的空位數對比可見, 空位數遠大于濺射產額.

2.5 不同入射角度質子輻照CZT的濺射產額

能量為10 keV的質子以不同入射角輻照CZT的濺射產額如圖8所示, 其中: 橫坐標為粒子入射角; 縱坐標為平均一個入射粒子引發的濺射原子數. 由圖8可見： Cd的濺射產額最大； 隨著入射角的增大, 各元素的濺射產額逐漸增大, 當入射角大于60°時, 濺射產額快速增大. 因此, 質子入射角變化對CZT濺射產額的影響較大.

圖6 10 keV質子以不同角度入射CZT,Si和金剛石(C)靶產生的空位數Fig.6 Number of vacancies for 10 keV protons at different incident angles in CZT,Si and diamond(C) target

圖7 CZT靶濺射產額與入射質子能量的變化關系Fig.7 Relationship between sputtering yields and incident protons energy in CZT target

2.6 質子輻照不同厚度CZT靶的濺射產額

質子輻照CZT靶濺射產額與靶厚度的變化關系如圖9所示, 其中: 橫坐標為CZT靶的最大厚度; 縱坐標為平均一個入射粒子引發的濺射原子數. 由圖9可見, 濺射產額在初始時增加較快, 在20 nm后增加幅度減弱, 并在100 nm處達到最大值.

圖8 CZT靶濺射產額與質子入射角度的變化關系Fig.8 Relationship between sputtering yields and incident angles of protons in CZT target

圖9 質子輻照CZT靶濺射產額與靶厚度的變化關系Fig.9 Relationship between sputtering yields and thickness of target for protons radiation in CZT target

綜上, 本文利用SRIM程序模擬了質子對CZT的輻照損傷. 結果表明： 質子在CZT材料中能量損失主要為電離能損, 位移能損所占百分數小于1%； 當入射質子能量逐漸增大時, 空位峰值所在深度值逐漸增加； 當質子的入射角增大時, 空位峰值所在的深度值減小, 初始時空位數變化較小, 當入射角大于60°時, 空位數呈降低趨勢； 當受相同能量的質子輻照時, CZT比Si和金剛石靶的位移損傷大, 抗輻照性能低于半導體材料Si和金剛石； CZT靶的濺射產額隨質子能量的增大先增加后降低, 峰值能量為2 keV； 隨著質子入射角的增大, CZT靶濺射產額逐漸增大, 且入射角大于60°時增大明顯； 當CZT靶厚度逐漸增加時, 濺射產額整體趨勢為增大后趨于不變； CZT靶的空位數遠大于濺射產額.