氢氦离子辐照对4H-SiC表面形貌的影响

氢氦离子辐照对4H-SiC表面形貌的影响 Effects of Hydrogen and Helium Ion Irradiation on Surface Topography of 4H-SiC first-author 刘月，女，硕士生，现从事核技术在材料科学中的应用研究. E-mail：liuyue@whu.edu.cn 刘月，女，硕士生，现从事核技术在材料科学中的应用研究. E-mail： liuyue@whu.edu.cn liuyue@whu.edu.cn corresp 郭立平, E-mail:guolp@whu.edu.cn 郭立平, E-mail:guolp@whu.edu.cn guolp@whu.edu.cn 武汉大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉 430072 武汉大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉 430072 School of Physics and Technology, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China School of Physics and Technology, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China 以4H-SiC为研究对象，在800 ℃下, 用24 keV的H + 和30 keV的He + 分别进行H + 单束、He + 单束、先H + 后He + 双束和先He + 后H + 双束辐照，并利用原子力显微镜(AFM)研究辐照对4H-SiC表面形貌的影响.实验表明:H + 辐照的样品表面出现直径平均约为8 μm的大凸起，He + 辐照的样品表面则产生了均匀的纳米尺寸的小凸起；H + 辐照在材料表面产生的大凸起在辐照He + 后消失；而He + 预辐照之后再进行H + 辐照，材料表面不会产生大的凸起，并结合X射线衍射(XRD)数据对这种氢氦协同效应进行了解释.结论表明，He + 预辐照对凸起的形成有抑制作用，He + 后辐照则对已产生的凸起有抛光作用. Single and sequential irradiations of 24 keV H + and 30 keV He + were performed at 800 ℃ to investigate the effects of irradiations on surface topography of 4H-SiC by using atomic force microscope (AFM). The experimental results show that blisters with diameter of about 8 μm were observed on H + -irradiated specimen while blisters with uniform nano-scale sizes were found on He + -irradiated one. Large blisters induced by H + pre-irradiation disappeared after He + post-irradiation, and no blister appeared after H + post-irradiation with He + pre-irradiation. The mechanisms behind the complex synergistic phenomena between H and He are discussed by combing with X-ray diffraction (XRD) data. Thus, it indicates that He + pre-irradiation can inhibit H blisters formation, while He + post-irradiation can remove the blisters induced by H + pre-irradiation. 4H-SiC 离子辐照 氢氦协同作用 4H-SiC ion irradiation H/He synergistic effect 引言 1 SiC具有低感生放射性、良好的热传导性、抗辐照等性能，因而成为聚变反应堆第一壁和结构材料的候选材料之一 [ 1 1 , 2 2 ] .在SiC中，常见的有4H-SiC、3C-SiC和6H-SiC.其中，4H-SiC与其他两种相比具有更大的带隙和更高的几乎各向同性的电子迁移率，是高温和大功率设备最有潜力的材料之一 [ 3 3 ] .然而在聚变堆环境中，面对高能(14 MeV)中子的轰击，材料的微观结构会出现许多空洞和位错环等缺陷.这些微观结构的变化，引起材料的宏观机械性能的衰退(如硬化和脆化) [ 4 4 ~ 7 7 4~7 ] .不仅如此，面对高能中子的轰击，材料还会发生核嬗变反应(n, α)和(n, p)，所产生的氢和氦都会促进这些辐照效应 [ 8 8 ~ 10 10 8~10 ] .例如，Miwa等 [ 11 11 ] 研究发现，当温度达到800 ℃时，在SiC复合材料中，氢和氦的出现会明显地促进空洞的形核.而且，氦的促进效果比氢的更明显.另外，氢和氦之间还存在着复杂的协同效应.Taguchi等 [ 12 12 ] 研究发现，在单束Si + 和He + 辐照SiC实验中都没有观察到空洞或气泡的形成，而在Si + +He + +H + 的三束辐照中却观察到了氦泡的形成，并且氦泡的数密度随着氢浓度的增加而增加，尺寸随着氢浓度的增加而减小.这充分说明了，氢和氦之间存在着协同效应，但这种协同效应的机制目前尚不清楚.Hojou等 [ 13 13 ] 研究发现，在氢、氦先后双束辐照SiC晶体的实验中，预注入氢可以促进氦泡的形成，然而氢氦同时辐照对氦泡并无明显的促进作用.另外，Oya等 [ 14 14 , 15 15 ] 研究发现，氦的注入会减少氢在SiC中的滞留，尤其是氦后辐照的情况下，这更说明了氢氦之间存在着复杂的协同效应. 目前，关于协同效应对SiC的内部微观结构的影响研究报道较多 [ 16 16 ~ 18 18 16~18 ] ，但是对表面形貌影响的研究却很少.然而，表面形貌(尤其是表面起泡)会对聚变堆候选材料的性能产生非常不利的影响.因此，本文分别通过H + 和He + 单束辐照(H + 、He + )以及先后双束辐照(H + +He + 、He + +H + )4H-SiC的实验，通过原子力显微镜(AFM)并结合X射线衍射(XRD)来研究氢、氦以及氢和氦的协同效应对4H-SiC表面形貌的影响. 实验方法 1 样品制备 2 实验材料为单面抛光〈0001〉晶向的4H-SiC单晶(北京天科合达蓝光半导体有限公司生产)，密度为3.21 g/cm 3 ，样品大小为10 mm×10 mm×0.3 mm.离子辐照实验在武汉大学物理科学与技术学院加速器实验室的加速电压为200 kV离子注入机上完成，辐照温度为800±5 ℃.根据Stoller等 [ 19 19 ] 的研究，在用SRIM2008计算损伤分布时所采用的模型为Kinchin-Pease模型.SRIM计算中所采用的Si原子和C原子的离位阈能分别为35 eV和20 eV [ 11 11 , 20 20 ] .为了使H + 和He + 注入到样品中的浓度分布峰值和损伤分布峰值处于同一深度，根据SRIM程序模拟计算结果，H + 和He + 的注入能量分别定为24 keV和30 keV.如 图 1 图 1 所示，H + 和He + 的浓度分布峰值约在190 nm，离位损伤峰值的位置约在165 nm处，对应的损伤剂量分别为0.34和4.13 dpa(displacement per atom).具体的实验参数如 表 1 表 1 所示. 2 编号 2 离子 2 能量/keV 2 2 剂量/10 17 cm -2 2 温度/℃ H + He + H + He + 1 H + 24 - 4 0.8 - 800 2 He + - 30 - 1.2 800 3 H + +He + 24 30 0.8 1.2 800 4 He + +H + 24 30 0.8 1.2 800 表征方法 2 样品辐照完成后，用AFM(型号为SPM-9500J3) 观测样品的表面形貌, 每次扫描的面积为30 μm × 30 μm.然后，对样品进行XRD分析.XRD仪器的型号为Bruker AXS D8 Advance，射线源为CuK α ，射线波长 λ =0.154 06 nm，电压为40 kV，电流40 mA，测试范围为10 °~90 °，步长为0.02 °. 实验结果 1 图 2 图 2 为AFM观测到的未辐照样品表面的平面形貌图和三维形貌图，可以看出，未辐照样品表面比较平滑(其中尖锐的凸起为抛光缺陷 [ 21 21 ] ). 图 3 图 3 为H + 和He + 单束辐照样品表面的平面形貌图和三维形貌图.如 图 3(a) 图 3(a) 所示，H + 单束辐照后的样品表面产生了较大的起伏，其凸起的最大直径接近10 μm. 图 3(b) 图 3(b) 为He + 单束辐照后的样品表面，在此放大倍数下没有观察到明显的起伏，而是产生了较多的尺寸很小的尖锐的凸起颗粒. 图 4 图 4 为H + +He + 和He + +H + 先后双束辐照样品表面的平面形貌图和三维形貌图，从 图 4(a) 图 4(a) 可以看出，H + +He + 先后双束辐照样品的表面也没有产生可观察到的起伏，但出现了类似He + 单束辐照形成的尖锐的凸起颗粒，这些颗粒相比He + 单束辐照样品尺寸变小，数密度变大.同样，He + +H + 先后双束辐照的样品表面也没有产生可观察到的明显凸起，而是形成了和He + 单束辐照类似的凸起颗粒, 如 图 4 (b) 图 4 (b) 所示. (a) H + 单束辐照; (b) He + 单束辐照 (a)H + single-beam irradiation; (b) He + single-beam irradiation (a) H + +He + 先后双束辐照; (b) He + +H + 先后双束辐照 (a) H + +He + sequential-beam irradiation; (b) He + +H + sequential-beam irradiation 图 5 图 5 为样品表面的平均粗糙度Ra (Arithmetic mean roughness)的统计图.未辐照样品表面的粗糙度为0.49 nm.H + 单束辐照后的样品表面平均粗糙度最大, 为53.50 nm.He + 单束辐照后的样品表面粗糙度为0.82 nm，与未辐照的样品相比增加了约一倍.H + +He + 先后双束辐照样品的表面粗糙度为0.85 nm，比He + 单束辐照的样品略高.He + +H + 先后双束辐照的样品粗糙度为7.60 nm，与He + 单束辐照和H + +He + 先后双束辐照的样品粗糙度相比，几乎增大了一个数量级. XRD测试可用来分析辐照引起的晶格应力和晶面间距的变化 [ 22 22 ] ，XRD图谱分析的结果如 图 6 图 6 所示.从 图 6(a) 图 6(a) 可知，未辐照的样品出现了两个峰：在2 θ 为35.64°处出现了一个尖锐的衍射峰，对应(0004) 衍射面；在2 θ 为75.38°处的衍射峰对应(0008) 衍射面.从总体上看，与未辐照的样品相比，样品高温辐照后，没有观察到新的峰产生；辐照前后的衍射图像大致相同，但是辐照之后样品的主峰都发生了向小角度方向的偏移. (a)未辐照；(b) He + 单束辐照；(c) He + +H + 先后双束辐照；(d)H + 单束辐照；(e) H + +He + 先后双束辐照 (a) unirradiation; (b) He + single-beam irradiation; (c) He + +H + sequential-beam irradiations; (d) H + single-beam irradiation; (e) H + +He + sequential-beam irradiations 为了更直观的比较所有样品辐照前后的晶格结构的变化， 图 7 图 7 统计了所有样品峰值最强的(0004) 面峰的强度和位置.由 图 7(a) 图 7(a) 中可知，H + 辐照后样品(0004) 面峰值的强度变化最为明显，比其他样品(含未辐照)降低了一个数量级，而其他样品辐照后峰强降低相对较少.从(0004) 面峰移的统计 图 7(b) 图 7(b) 中可知，H + +He + 辐照样品的峰移最大，而H + 单束辐照的样品次之.He + 辐照样品峰移最小，He + +H + 辐照样品的峰移仅比He + 辐照样品的峰移略大. 综上可知，在先注入H + 的样品中，(0004) 面峰向小角度方向偏移程度都比先注入He + 的要大. 分析与讨论 1 单束辐照样品表面形貌和晶格应力分析 2 H + 辐照的4H-SiC表面出现直径平均约为8 μm的凸起，起伏较大.在800 ℃的高温环境下，H + 进入样品内部优先和碳原子成键，形成C-H团簇.随着H + 的注入，C-H团簇不断的吸收氢原子，H泡不断的长大，泡的内部压强也随之增大，继而推动材料表面形成凸起 [ 23 23 , 24 24 ] .相较于H + 辐照，He + 辐照后样品表面出现了均匀的纳米尺寸的小凸起，表面变得粗糙，但并未观察到类似H + 辐照后的大凸起.这与白志平等 [ 25 25 ] 的研究一致，他们用AFM观察不同剂量的He + 在600 ℃下辐照6H-SiC后的表面形貌，发现随着辐照剂量的增加，样品表面凸起颗粒的尺寸和数密度变大，表面粗糙度增加.而Oliviero等 [ 26 26 ] 用截面透射电子显微镜(XTEM)观察了在750 ℃下，He + 注入剂量为1×10 17 cm -2 的4H-SiC样品，发现氦泡分布在靠近损伤峰的区域，并且均匀的分布于损伤层内.这说明，与H + 辐照不同，He + 进入样品中优先和空位结合，这使得氦的扩散能力变弱，因而He + 辐照后样品中氦泡不容易聚集长大，而是形成数密度相对较高的小泡.综上所述，H + 和He + 对4H-SiC表面形貌的影响是不同的.H原子优先和C原子结合，更容易聚集形成大的泡；而He原子优先和空位结合，更容易形成均匀分散的高数密度的小泡. XRD测试结果显示，H + 辐照后样品的(0004) 面峰位向小角度方向偏移较大，而且峰值强度的变化最为明显.这说明样品损伤区域的晶面间距变大，样品内部产生了较大的拉伸应力.He + 辐照后样品的(0004) 面峰位也出现了小角度方向偏移，但相对于H + 辐照的样品要小很多.说明He + 辐照样品的辐照区域的晶面间距变大，但相比于H + 辐照要小很多.正是由于H + 辐照后样品中形成的是几个微米的气泡凸起，而He + 辐照后样品中形成的是纳米尺寸的气泡所致. 双束辐照样品表面形貌和晶格应力分析 2 与H + 单束辐照相比，H + +He + 先后双束辐照的样品表面没有观察到较大的凸起，而是出现了和He + 辐照样品表面类似的小凸起颗粒.其中，粗糙度与He + 辐照的样品接近，原因是样品表面的粗糙化主要由He + 辐照造成.更重要的是，H + +He + 先后双束辐照的样品表面由H + 先辐照所产生的凸起，在后辐照He + 时消失.XRD测试结果显示，H + +He + 辐照后样品(0004) 面峰的位置与H + 辐照的样品相比明显朝小角度方向偏移.表明H + +He + 辐照比H + 单束辐照引起更大的晶格膨胀，这种晶格膨胀导致晶面间距和拉伸应力增加.其原因为H + 先辐照时产生了较大的气泡，当较高能量的He + 后辐照时会穿过气泡层，产生比H + 辐照高一个量级的离位损伤，形成大量的空位、间隙原子和氦团簇等缺陷.这些缺陷吸收气泡层的H原子，在引起晶格膨胀的同时，导致原来氢泡内部压力变小，凸起消失. He + +H + 先后双束辐照的样品与H + 单束辐照相比，表面产生了较多尖锐的凸起颗粒.更重要的是，在样品中先辐照He + 之后再辐照H + ，样品表面没有出现较大的凸起.在XRD实验中发现，He + +H + 先后双束辐照引起(0004) 面的峰位朝小角度方向偏移程度仅比He + 单束辐照的略大，但和H + 单束辐照相比要小很多.这说明，在H + 辐照后，样品中的晶格膨胀和晶格应力只稍微有所变大.因此，在先辐照He + 的情况下，H + 辐照没能导致表面出现大的凸起，其原因是：先辐照的He + 占据空位，形成了大数密度的小泡，这些小泡在H + 辐照时捕获了H原子，导致H原子无法聚集长大形成较大的气泡.He + +H + 先后双束辐照与He + 单束辐照和H + +He + 先后双束辐照相比，粗糙度增大一个数量级.一方面，He + 辐照产生较高的离位损伤；另一方面，H + 的滞留会促进He + 辐照产生的缺陷长大，导致表面粗糙度增加.Oya等 [ 27 27 ] 在研究He + 先辐照和后辐照4H-SiC对氢的同位素(氘)滞留量的影响时发现，无论He + 先辐照还是后辐照，氘的滞留量都会降低，尤其是He + 后辐照的情况下.这说明He + +H + 辐照中的H + 的滞留现象比H + +He + 辐照更明显，故He + +H + 先后双束辐照的样品表面粗糙度变化更明显. 结论 1 本文利用AFM研究了在800 ℃下，H + 、He + 单束和H + +He + 、He + +H + 先后双束辐照对4H-SiC表面形貌的影响.H + 辐照后的样品表面出现了直径平均约为8 μm的凸起，后注入He + 对已产生的H泡凸起有抛光作用，而先注入He + 对H泡凸起的形成有抑制作用.结合XRD数据分析，推测上述抛光和抑制作用来自于H和He之间复杂的协同效应.在聚变堆中，H泡的形成和破裂会对等离子体产生严重的污染，抑制气泡凸起的形成和破裂具有非常重要的意义.H + 辐照引起4H-SiC表面产生凸起以及H + +He + 、He + +H + 先后双束辐照对这些凸起的抑制和抛光作用值得进一步研究. 参考文献 KATOH Y, SNEAD L L, SZLUFARSKA I, et al. 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