اصلاح مواد با استفاده از باریکه ی یونی (1)

چکیده

باریکه های یونی به طور گسترده برای اصلاح مواد مورد استفاده قرار می گیرند. در اینجا، ما به طور خلاصه در مورد فرایندهای شیمیایی و فیزیکی اساسی که در هنگام بمباران یونی، در ماده ی تحت بمباران، اتفاق می افتد، صحبت می کنیم. ما همچنین در مورد کاربردهای عمده ی باریکه های یونی برای فرآوری مواد و برخی رویه ی های علمی بوجود آمده در سال های اخیر، صحبت می کنیم. تمرکز در این مقاله بر روی آگاهی یافتن از نحوه ی تشکیل و تحولات حاصل از تخریب های تابشی می باشد.

مقدمه

بمباران با یون های پر انرژی به طور گسترده برای فرآوری مواد مورد استفاده قرار می گیرد. این فرایند از اواسط قرن بیست و یک مورد استفاده قرار می گرفت. قبل از سال 1960، بیشتر تلاش های تحقیقاتی در این زمینه، بر روی آگاهی یافتن از اثرات تخریب های تابشی ایجاد شده بوسیله ی شکافت هسته ای در رآکتورهای هسته ای، تمرکز داشته است. توسعه ی سریع تکنولوژی ادوات نیمه رسانا نیز یکی از نیروهای محرکه ی اصلی در تحقیقات انجام شده بر روی این تکنولوژی از دهه ی 1960 بوده است. این نکته باید تذکر داده شود که بمباران یونی یک ابزار قدرتمند در توسعه ی این تکنولوژی است.
در این مقاله، ما یک مرور کلی در مورد فرایندهای فیزیکی و شیمیایی ارائه کرده ایم که در طی تخریب های تابشی در انواع مختلفی از جامدات، ایجاد می شود. یکی از اهداف این مقاله بیان اهمیت عیوبی است که به خاطر برخورد باریکه ی یونی با مواد، در آنها ایجاد می شود. به طور خاص، ما در مورد تشکیل و تغییر تخریب های تابشی ایجاد شده بوسیله ی باریکه های یونی، صحبت می کنیم. این تغییرات موجب می شوند تا استفاده های فنی از بمباران یونی، محدود شود. ما همچنین به طور خلاصه در مورد کاربردهای کنونی باریکه های یونی و بخش های تحقیقاتی صحبت می کنیم که امروزه توجه زیادی را به خود اختصاص داده اند. در زمینه ی فراوری با استفاده از باریکه ی یونی، کتاب های زیادی نوشته شده است، در این مقاله، سعی می شود تا اطلاعات خلاصه ای در مورد این فرایند به خواننده ارائه گردد. این اطلاعات خلاصه ای از اطلاعات کسب شده از این مقالات است.

فرایندهای بالستیک

در این بخش، ما به طور خلاصه در مورد پدیده های عمومی مربوط به برهمکنش های بالستیک یون های پر انرژی با مواد جامد، صحبت می کنیم. این پدیده های بالستیک شامل برخوردها و جابجایی های اتمی، اتلاف انرژی الکتریکی، کندوپاش سطحی، مخلوط شوندگی اتمی، جدایش فضایی تهی جاها و اتم های درون شبکه ای و تغییرات استوکیومتری ایجاد شده با باریکه ی یونی در ترکیب شیمیایی ماده، می باشد.
وقتی یک یون پر انرژی بر روی سطح یک ماده ی جامد، برخورد می کند، تحت برخوردهای بالستیک متوالی قرار می گیرد. با نفوذ یون ها به داخل سطح ماده (هدف)، یون به تدریج انرژی خود را از دست می دهد و ساکن می شود. این برخوردها می تواند براحتی به فرایندهای کاهش هسته ای (الاستیک) و کاهش الکترونی (غیر الاستیک)، طبقه بندی شود. در فرایندهای کاهش انرژی هسته ای، برهمکنش ها میان هسته ی یون های برخورد کننده و اتم های هدف، رخ می دهد. مکانیزم غالب برای یون های با انرژی هایی در گستره ی کیلو الکترون ولت، معمولا مکانیزم اتلاف انرژی هسته ای است در حالی که توزیع اتلاف انرژی الکترونی با افزایش سرعت یون و افزایش انرژی ها تا بالاتر از چند مگا الکترون ولت، افزایش می یابد. این پدیده در بیشتر یون های مورد استفاده به عنوان هدف، صادق است.
اتم های هدف با یون های اولیه جایگزین می شوند و انرژی بالاتر از انرژی جابجایی آستانه، دریافت می کنند. این دریافت انرژی موجب ایجاد جابجایی های دیگر در هدف می شود. انرژی جابجایی آستانه، معمولا در حدود 20 الکترون ولت است. مقدار آن به نوع فلز بستگی دارد و به جهت شبکه ی کریستالی جامد نیز وابسته است. شکل 1 یک شماتیک از برخوردها و پروفایل عمق نمونه وار برای جابجایی های اتمی را نشان می دهد. این مسئله قابل مشاهده است که القای یونی، نمودارهای گوسینی ایجاد می کند. شکل نمودارهای عمق نفوذ اتمی نشان دهنده ی نمودارهای جابجایی اتمی است. ضخامت این لایه اصلاح شده با بمباران یونی، تعداد کل جابجایی های اتمی ایجاد شده و شکل نمودارهای عمق نفوذ به جرم و انرژی یون بستگی دارد. این مسئله به صورت شماتیک در شکل 1، برای دو مورد یون محدود شده ی با انرژی در حدود کیلو الکترون ولت و مگا الکترون ولت، نشان داده شده است.
در تخمین اولیه، توزیع عمق یک نمایی از نمونه های القا شده و جابجایی های اتمی، می تواند با استفاده از ممنتوم اول، توصیف شود ( و به ترتیب بیان کننده ی گستره های یونی و جابجایی های اتمی است). به دلیل اینکه همواره بزرگتر است، توزیع عمق نمونه های برخورد کننده اندکی به داخل بخش بالک نمونه، شیفت پیدا می کند این شیفت پیدا کردن با توجه به جابجایی های اتمی انجام می شود. به هر حال، در مورد یون های نوری، است و برای یون های سنگین است.
علاوه بر جابجایی های یونی، برخوردهای بالستیک یون های پر انرژی به اتم های هدف موجب کندوپاش (یعنی تزریق اتم های هدف از سطح) سطحی و مخلوط شدن عناصر در عرض فصل مشترک می شود. یک تعداد از دستگاه های آنالیز مواد و وسایل پردازش مواد از پدیده ی کند و پاش یونی برای زدایش کنترل شده ی یک لایه ی در نزدیکی سطح نمونه، استفاده می کنند. یک پدیده ی بالستیک مهم دیگر که در برخوردهای پر دانسیته بر روی مواد مرکب (مواد دارای بیش از یک عنصر)، رخ می دهد، عدم تعادل استوکیومتری است. در حقیقت، در مورد برخوردهای اتفاق افتاده در مواد مرکب، یک غلظت اضافی از عناصر سنگین تر در عمق کمی از سطح قرار دارند، در حالی که ناحیه ی عمق تر از اتم هایی غنی است که سبک ترند. محاسبات نشان داده است که این عدم تعادل استوکیومتری در زمانی که نسبت جرمی عناصر موجود در جامد و جرم یونی بالاست، بیشتر مشاهده می شود. علاوه بر عدم تعادل استوکیومتری ماده در داخل برخوردهای متراکم، کندوپاش ترجیحی ممکن است به طور قابل توجهی ترکیب شیمیایی را در ناحیه ی نزدیک به سطح جامد، تغییر دهد.
توجه کنید که، در این مقاله، ما از واژه ی دز یونی استفاده می کنیم که این مقدار در بیشتر مقالات به عنوان معیار مناسبی برای بیان میزان یون برخوردی به ماده است. به هر حال، این باید تذکر داده شود که در مقالات منتشر شده در زمینه ی اثرات تابش بر روی سرامیک ها و پلیمرها، دوز یونی اغلب نشاندهنده ی شار یونی کل یا سیالیت یونی، نامیده می شود.
در نهایت، یکی دیگر از فرایندهای بالستیک مهم ارزیابی ارزشی است. تهی جاها و اتم های بین نشین به طور فضایی از خوشه جدا می شود. در انتهای گستره ی یونی، اتم های بین نشین اضافی وجود دارد و در نزدیکی سطح، تهی جا وجود دارد. اثر یک چنین جدایش فضایی تهی جا و یون برای هر برخورد، با افزایش دوز یون، افزایش می یابد. به عنوان یک نتیجه، این اثر در کنترل انباشتگی تخریب ها برای رژیم های تابشی مهم می باشد.
پارامترهای فرایند بالستیک که در بالا مورد بررسی قرار گرفت، را می توان به آسانی با استفاده از چندین روش، محاسبه کرد. روشی که اخیرا مورد استفاده قرار گرفته است، روشی است که در آن، این اطلاعات از طریق کد TRIM محاسبه می شود. TRIM یک روش برنامه نویسی شبیه سازی بر پایه ی مونت کارلو می باشد. سایر روش هایی که اغلب برای محاسبه ی نمودارهای نمونه ها مورد استفاده قرار می گیرد، از محاسبات تحلیلی استفاده می کنند. همچنین یک روش بر پایه ی معادله ی انتقال بولتزمن بوجود آمده است. فرایندهای فیزیکی اتفاق افتاده در پدیده ی بالستیکی، به خوبی مورد بررسی قرار نگرفته است. برای اطلاع بیشتر، به منابع دیگر مراجعه کنید.

فرایندهای غیر بالستیک

محدودیت های روش بالستیک

محاسبات تئوری بر روی گستره ای از تغییرات یونی، اتمی، بین نشینی، کندوپاشی، مخلوط شوندگی و استوکیومتری، در بخش قبلی مورد بحث قرار گرفته است. به هر حال، در این بررسی ها، تنها فرایندهای بالستیک مورد بررسی قرار گرفته است و به طور کامل از پدیده های پیچیده تر صرفنظر شده است. این فرایندها عبارتند از: 1) فرایندهای نفوذی (مانند آنیلینگ دینامیک)، فرایندهای آبشاری شدن با دانسیته ی بالا و 3) اثرات تهیج الکترونی.
یک چنین فرایندهای غیر بالستیکی، به طور زیادی به شرایط تابش مانند جرم یون ها، انرژی، دوز، دمای زیرلایه و شار باریکه ی یونی، بستگی دارد. برخلاف قابلیت ما برای محاسبه ی فرایندهای برخوردی، پیش بینی اصلاح مواد به عنوان نتیجه ای از فرایندهای غیر الاستیک، معمولا مشکل است. برای مثال، مقدار کل و توزیع عمقی بی نظمی های شبکه ای بعد از بمباران یونی، به صورت تجربی در جامدهای کریستالی مشاهده است. علاوه بر این، بازده کندوپاش یونی مواد کریستالی به صورت تجربی اندازه گیری می شود این اندازه گیری به جهت گیری کریستالی سطح بستگی دارد. این فهمیده شده است که کندوپاش در جامدهای غیر فلزی بوسیله ی اتلاف انرژی الکترونی، تحت تأثیر قرار می گیرد در بیشتر موارد، مطالعات تجربی برای آگاهی یافتن از اثرات شرایط اعمال بر روی خواص ماده، ضروری است.
تلاش های تحقیقاتی اخیر در این زمینه ی فرایندهای باریکه ی یونی، به طور گسترده به آگاهی یافتن از یک چنین فرایندهای غیر بالستیکی، اختصاص یافته است. در حقیقت، بیشتر این تحقیقات بر روی آگاهی یافتن از جنبه های زیر، تمرکز دارد: 1) درجه ی آنیلینگ دینامیک؛ 2) جوانه زنی یک فاز آمورف؛ 3) طبیعت عیوب ایجاد شده در هنگام برخورد باریکه ی یونی؛ 4) اثر اتلاف انرژی الکتریکی؛ 5) اثر دانسیته ی برخوردها؛ 6) اثرات شیمیایی نمونه های الصل شده؛ 7) تجزیه ی ماده در طی بمباران؛ 8) موبیلیته و عمر مفید عیوب نقطه ای؛ 9) پایداری حرارتی تخریب های تابشی. ما این فرایندهای اساسی را در زیر مورد بحث قرار دادیم. علاوه بر این، بیشتر مطالعات معمولا بر روی اثرات تخریب های القا شده بر روی خواص ماده مانند خواص الکتریکی، مغناطیسی، مکانیکی و نوری، تمرکز دارد.

اثرات آبشاری با دانستیه ی بالا

با در نظر گرفتن آگاهی های کنونی در مورد فرایندهای باریکه ی الکترونی در جامدات، می توان این تصور را داشت که دو محدودیت بر اساس ویژگی های آبشارهای در برخوردها، وجود دارد. این دو مورد، بمباران با نور و بمباران با یون های سنگین می باشد. این بمباران به جرم یون ها بستگی دارد. در مورد یون های نوری، آبشارهای حاصل از برخورد در طی برخورد، افول می کنند و این آبشارها عموما از عیوب نقطه ای مانند تهی جاها و اتم های بین نشین، وجود دارد. در مورد یون های سنگین، که دارای سرعت اتلاف انرژی هسته ای بالایی هستند، هر یون یک آبشار برخوردی با دانسیته ی بالا، ایجاد می کند و به سرعت سرد می شوند. این مسئله می تواند موجب تشکیل نقاط آمورف در نواحی پردانسیته ی آبشارهای برخوردی، می شود. اعتقاد وجود دارد که یک چنین نقاط آمورفی، به دلیل فرایندهای غیر خطی دسته جمعی، رخ می دهد. این مسئله باید تذکر داده شود که نقاط آمورف که در نواحی پر دانسیته تشکیل می شود، اغلب بسته های آمورف نامیده می شود.
تشکیل نقاط آمورف به صورت تجاری در بسیاری از کریستال های غیر فلزی، مشاهده شده است. به هر حال، تحت تابش یونی معین (یعنی جرم یونی، انرژی، دمای زیرلایه و شار باریکه ی یونی)، در بیشتر مواد کریستالی، نقاط آمورف بعد از بمباران یونی، مشاهده نشده است. تحت این شرایط تابشی، نقاط آمورف (اگر تشکیل شوند)، ناپایدارند و از طریق حرارت دهی مستقیم و فرایندهای القا شده با یون ها، آنیل می شوند.
این مفهوم که فرایندهای غیر خطی تجمعی در آبشارهای برخوردی، موجب تشکیل نقاط آمورف می شوند، به طور موفقیت آمیز برای توصیف این حقیقت مورد استفاده قرار می گیرد که برای شرایط بمباران یونی، بی نظمی شبکه اغلب سریعتر از چیزی که بوسیله ی محاسبات بالستیک، پیش بینی شده است، از بین می رود. یک مفهوم مشابه نیز برای توصیف وابستگی بازده کندوپاش به دانسیته ی آبشارهای حاصله از برخوردها، مورد استفاده قرار می گیرد. به طور خاص، مطالعات بر روی اثر مولکولی (یعنی بمیاران با یون ها و اتم های دارای سرعت یکسان در هر اتم نسبت به یون) برای آگاهی یافتن از اثر دانسیته آبشارهای حاصله از برخورد، بر روی بازده کندوپاش و تشکیل بی نظمی های شبکه ای پایدار، می تواند مفید باشد. برای بررسی جزئی تر بر روی اثرات آبشارهای ایجاد شده در جامدات، می توانید به مراجع دیگر در این زمینه مراجعه کنید.

آنیل کردن دینامیک

با استفاده از آنیل دینامیک، ما عیوب ایجاد شده در طی تابش یون را بواسطه ی مهاجرت و برهمکنش آنها، تغییر می دهیم. در بسیاری از مواد کریستالی، عیوب نقطه ای ایجاد شده که بعد از حرارت دهی آبشارهای حاصل از برخورد، باقی می مانند، می توانند از طریق شبکه مهاجرت کنند و تشکیل و حذف کلاسترها در این حالت رخ می دهد. ترکیب شدن تهی جاها و اتم های بین نشین از طریق به دام افتادن این عیوب رخ می دهد. فرایندهای آنیل دینامیک ممکن است موجب تشکیل عیوب آنتیسیت در ترکیبات جامد می شود. انرژی های مورد نیاز برای مهاجرت عیوب نقطه ای در نیمه رساناها همچنین به حالت بار عیوب بستگی دارد.
به هر حال، از بین رفتن عیوب در همه ی موارد، انجام نمی شود و خوشه های عیوب نقطه ای تشکیل می شود و با افزایش دوز یون، افزایش می یابد. برای شرایط آنیلینگ دینامیک زیاد، عیوب ایجاد شده، ممکن است در طی تابش یونی، تشکیل شوند. عیوب حاصله از تابش یونی، می توانند شامل یک آرایه ی منظم از عیوب صفحه ای یا نابجایی هایی باشند که در فلز و سایر موان نارسانا، ایجاد شده اند. یک مثال از این چنین تشکیل عیوبی که از طریق فرایندهای آنیل دینامیک، ایجاد می شوند، در شکل 2 نشان داده شده است. این تصویر حضور تعدادی خوشه ی عیوب نقطه ای را نشان می دهد (شکل 2a و 2c). همچنین تعدادی عیوب صفحه ای نیز در ناحیه ی نزدیک به سطح GaN بمباران شده با یون، مشاهده می شود (شکل 2b و 2d). یک نوار مشابه از عیوب صفحه ای در GaN بمباران شده (تحت تابش های متخلف)، مشاهده شده است.
شکل 3a مثالی را ارائه کرده است که نشان می دهد چگونه نمودارهای عمق تجربی بی نظمی های شبکه ای می تواند از پیش بینی های ارائه شده بوسیله ی محاسبات بالستیک، انحراف پیدا کند. در شکل 3a، مشاهده می شود که نمودارهای عمق برای بی نظمی های شبکه ای موجود در GaN تحت تابش قرار داده شده، به طور قابل توجهی از شکل گوسی فاصله گرفته است. یک چنین انحرافاتی از موارد زیر نشئت می گیرند: 1) اشباع شوندگی تخریب ها در شبکه ی کریستالی بالک در نزدیکی ناحیه ی با اتلاف انرژی هسته ای ماکزیمم و 2) بی نظمی های سطحی ترجیحی با تشکیل لایه ی آمورف سطحی که لایه به لایه رشد کرده و دوزهای یونی را افزایش می دهد. این ویژگی ها از فرایندهای آنیلینگ دینامیک نتیجه می شوند و بسیار پیچیده اند. این مسئله همچنین مثالی از یک اثر عمیق از سطح نمونه یا سطح مشترک آن بر روی آنیلینگ دینامیک می باشد. در حقیقت، سطح نمونه یا سطح مشترک اغلب دارای اثر سینکی برای مهاجرت عیوب نقطه ای است. اثر سطح بر روی تغییرات عیوب نقطه ای ایجاد شده در کریستال های بالک با استفاده از موبیلیته ی مؤثر عیوب و فاصله ی میان سطح و ناحیه ای که این عیوب در آن ایجاد شده اند، قابل تعیین می باشد.
همانگونه که قبلا اشاره شد، برای رژیم های با آنیلینگ قوی، فرایندهای مرتبط با باریکه ی یونی به طور قوی به شرایط تابش وابسته می شود. به عنوان یک مثال از اثرات بزرگ نمونه های یونی بر روی میزان بی نظمی در کریستال ها، شکل 3b جرم یونی وابسته به دوز یونی مورد نیاز برای تولید 30 % بی نظمی نسبی ( ) را نشان می دهد ( در مورد GaN و در دمای محیط برای نمونه های یونی مختلف با انرژی های کیلو الکترون ولت). این مسئله از شکل 3b نشان داده شده است که عموما با افزایش جرم یونی، کاهش می یابد. این رویه ی کیفی در تعدادی از یون ها با افزایش جرم یونی، مشاهده می شود.
به هر حال، دو انحراف از رویه ی مورد انتظار، به طور واضح در شکل 3b برای یون های کربن 12 و بیسموت 209 دیده می شود. به طور خاص، برای یون های کربن 12 در حدود دو برابر کوچکتر از برای یون های اکسیژن 16 است (با وجود اینکه یون های اکسیژن 1.6 برابر یون های کربن 12، در ماکزیمم نمودار اتلاف انرژی هسته ای، تهی جا تولید می کند). این یک مثال نهایی در مورد اثرات شیمیایی نمونه های القا شده است که در ادامه به طور کامل توضیح داده شده است. علاوه بر کربن 12، تابش با یون های بیسموت 209 تخریب های شبکه ای کمتری نسبت به یون های طلای 197، ایجاد می کند. اگر چه یون های بیسموت 209 یک تعداد بیشتر جابجایی اتمی نسبت به یون های طلا تولید می کنند. این نتایج به دلیل مقدار شار باریکه ای کمتر در یون های بیسموت در مقایسه با مقدار شار باریکه ای یون های طلا، ایجاد می شود. در واقع این نتایج نشاندهنده ی اهمیت شار باریکه ای بر روی تشکیل عیوب پایدار تحت بمباران یونی می باشد.
یک مسئله ی دیگر، اثر جرم یونی بر روی نابجایی شبکه ای ایجاد شده در شکل 3b می باشد. این تصویر نشاندهنده ی وابستگی جرم یونی به می باشد . نسبت سطح بی نظمی شبکه ای 0.3 به میزان خسارت های پیش بینی شده بر اساس محاسبات بالستیک می باشد. در تخمین اول، پارامتر نشاندهنده ی میزان تأثیر تولید بی نظمی شبکه ای پایدار با بمباران یونی تحت شرایط القای خاص می باشد. این شرایط عبارتست از برای سطوح نسبتا پایین بی نظمی شبکه ای می باشد که در اینجا دوز یونی است و برابر تعداد تهی جای شبکه در ماکزیمم نمودار اتلاف انرژی هسته ای است. اگر تخریب های شبکه ای پیش القای شده یکسان باشد (بر اساس پیش بینی های بدست آمده بر اساس محاسبات بالستیک)، برابر واحد و غیر وابسته به جرم یونی است.
برخلاف این انتظارات، شکل 3b (نمودار سمت راست)، یک وابستگی پیچیده تر از نسبت به جرم یونی را نشان می دهد. اول از همه، برای تمام نمونه های یونی مورد استفاده، به طور قابل ملاحظه ای از واحد کمتر است. این یک نتیجه ی مستقیم از فرایندهای آنیلینگ دینامیک در زمانی است که یک بخش بزرگ از عیوب نقطه ای ایجاد شده، از بین بروند. این مسئله همچنین در شکل 3b (محور سمت راست) دیده می شود که، با افزایش جرم یونی از کربن 12 به مس 63، کاهش می یابد. برای یون های سنگین تر از مس 63، با افزایش جرم یونی، افزایش می یابد. یک چنین رفتار پیچیده ای، به دلیل رخ دادن ترکیبی از فاکتورهای زیر است: 1) فرایندهای آنیلینگ دینامیک، 2) تغییر در بازده خوشه ای شدن عیوب، 3) اثرات میخ کوب شدن انرژی تجمعی، 4) تغییر در انرژی جابجایی مؤثر و 5) اثرات شیمیایی نمونه های القا شده .
بهبود شیمیایی تخریب های اشاره شده در بالا، یک پدیده ی متداول برای جامدهای کریستالی فلزی و غیر فلزی است. در حقیقت، اثرات شیمیایی اغلب در رفتار تخریبی ایجاد شده در رژیم های اجرایی، غالب است. یک چنین فرایند آنیلینگ دینامیک که در برخی مواد، اتفاق می افتد (حتی در طی فرایند بمباران یون های سنگین در دماهای تبریدی)، یک حادثه ی نمونه وار برای نیمه رساناهای با پیوند کوالانسی است که در طی تابش یونی در دماهای بالا، بوجود می آید. مقیاس اثرات شیمیایی به نمونه های یونی خاص مورد استفاده، وابسته است. یک بهبود شیمیایی در ایجاد تخریب ها می تواند به دلایل زیر ایجاد شود: 1) به دام افتادن عیوب نقطه ای متحرک ایجاد شده به دلیل برخورد باریکه های یونی است که بوسیله ی اتم های ناخالصی ایجاد می شوند. 2) تشکیل فاز ثانویه و نابجایی های شبکه ای مربوطه و 3) تغییر در سدهای انرژی برای مهاجرت و برهمکنش های عیوب. مطالعات بیشتر هم اکنون نیاز است تا مشارکت اثر شیمیایی در جامدات کریستالی از هر سه فرایند بالا، تعیین گردد.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.