六方氮化硼的熱中子輻照損傷

陽永富 ,王 柱 ,陳萬平 ,鄒武生 ,趙江濱 ,何高魁

(1.武漢大學 物理科學與技術學院,湖北 武漢 430072;2.中國原子能科學研究院,北京 102413)

第三代寬禁帶半導體中的六方氮化硼(hBN)具有非常優異的物理、化學性能[1],主要表現在[2-6]:熱中子俘獲截面高達3.84×10-21cm2、寬帶隙、極高的電阻率、低介電常數、大的位移閾能、低原子序數等。這些正是高性能熱中子探測器需要的特性,因而hBN在熱中子(能量約為0.025 eV)探測器領域具有廣泛的應用前景[2,7-10]。

但是,在探測中子的過程中,10B 原子會逐漸轉變為Li 原子和He 原子,成為雜質;中子和10B 反應生成的Li 離子和α 粒子具有很高的能量,能夠造成hBN的級聯位移損傷,產生大量缺陷。這些雜質和缺陷通常可能作為載流子的產生/散射/復合中心,影響其遷移率及載流子輸運,是影響探測器的電荷收集的重要因素,因而缺陷研究引起了不少學者的關注。

Kotakoski 等[11]通過第一性原理計算hBN 完整晶格中和缺陷存在時B 和N 的位移能,用高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)觀察到電子輻照產生的三角形多空位,并解釋了其形成機理。Pham 等[12]進一步研究了hBN 電子輻照缺陷的溫度依賴性和穩定性。相比低溫下常見的三角形缺陷,高溫下四邊形和六邊形缺陷占主導;而在缺陷邊緣原子數低于10 時,六邊形缺陷占主導。Lehtinen 等[13]通過分子動力學模擬研究離子輻照下hBN 產生不同缺陷的概率,給出了單空位、雙空位及復雜空位缺陷產生概率最大的輻照能量區間。Simos 等[14]則研究了質子輻照對hBN 穩定性和微觀結構的影響,將石墨烯作為對比,說明了hBN具有良好的抗輻照性。……