引言
認識核聚變反應堆中面向電漿材料輻照損傷演化過程對於 ITER（ITER: international thermonuclear experimental reactor）聚變電漿穩態運行、改善聚變電漿特性、延長面向電漿材料使用壽命、控制氚在器壁表面滯留量等具有十分重要的作用。ITER 裝置以氘和氚作為原料產生聚變電漿，聚變輻照物種與材料的相互作用十分複雜，這包括輻照引起的材料損傷和濺射產生物種的再次反應，這導致材料輻照缺陷、表面脆化、物理濺射、化學刻蝕、再沉積、氚滯留等過程。
高能粒子的輻射可以使材料中的原子發生移位，從而改變被輻照材料的性能。聚變堆的高能中子對結構材料的輻照損傷是非常嚴重的，聚變產物中的高能中子會對聚變裝置的材料有很大的轟擊效應，重點是和環形電漿接觸的壁材料會受到中子轟擊發生質量損失和結構變異效應，所以我們研究面向電漿的材料輻照，對國際熱核聚變反應的實現有舉足輕重的作用。材料表面在高能中子的轟擊下發生位移損傷。位移效應是高能的粒子在和材料相互作用的時候產生的一種材料物理變化現象。當高能的粒子和材料粒子相互作用的時候，會有兩種情況，一種是粒子能量較低，作用的結果就是入射粒子被反射遠離材料表面；第二種就是，當入射的高能粒子具有足夠大的能量的時候，材料粒子會被入射粒子撞擊偏離初始位置，這樣就在材料中產生一對空穴和間隙原子，當進入材料的粒子能量非常大的時候，有可能會出現不同的情況，一個粒子產生很多空穴和間隙原子對。
研究現狀
目前普遍認為，ITER 裝置中關鍵材料的輻射損傷，以及由此引起的氚滯留與控制主要依賴於面向電漿材料的選擇、運行條件（如器壁溫度、器壁表面入射物種密度和能量、電漿邊界條件）、腔體結構的影響等。聚變輻射損傷導致 ITER 裝置表面氚的滯留，其具體過程為：（1）高能氚離子或中性原子在器壁局部表面位置產生植入，也可能通過擴散過程進入材料體相，這取決於材料本身性能和溫度；（2）輻射損傷導致的刻蝕產物如 C、Be 活性物種與氚發生共沉積，在器壁表面形成薄膜；（3）在材料內表面缺陷處及 He 氣泡位置引起氚滯留。
九十年代
德國 IPP 的 Jacob 等人就針對聚變堆碳材料輻射損傷現象研究自由基、離子與碳膜表面的相互作用過程。研究發現，輻射損傷引起的再沉積是一個複雜的動態過程，存在化學反應和物理濺射過程。Jacob 等對 25 e V-500e V 範圍內離子濺射率首次進行了非常成功的模擬計算。實驗研究採用橢偏儀線上檢測法，該方法可實現薄膜厚度的線上定量檢測，而且具有單層原子檢測靈敏度。分析結果表明，碳的生長過程實際上是一個碳活性物種沉積和氫原子誘導刻蝕的競爭過程。分析結果也暗示，再沉積過程中由於離子與表面的濺射作用，再沉積薄膜表面可能會存在結構上不同於體相的表面層。然而，由於當時研究條件所限，無法證實薄膜表面不均勻薄層的存在。幾年前，項目申請者本人採用導電式原子力顯微鏡對電漿沉積的碳膜表層結構進行了分析，證實由於離子輻射損傷在碳膜表面引起的石墨似結構表層。該分析方法採用納米劃痕技術對薄膜表面進行局部區域磨損，並對磨損區域進行納米導電性檢測，研究納米表層的機械特性和導電性，推測表層結構。針對 H 原子在碳薄表面可能發生的活化作用，幾年前項目申請者設計實驗，研究氫電漿對薄膜表面的損傷作用。該方法採用 H2微波電漿產生 H 原子，與非晶碳薄膜表面相互作用，研究 H 原子對薄膜表面結構的影響。通過對比 H 原子作用前後薄膜表面特性的變化發現，氫原子可導致 spC 形成 sp3C，並促進表面 C-H 結構的形成，從而引起薄膜表層結構的產生。
二十一世紀
隨著聚變技術的發展，研究者已意識到聚變輻射損傷導致的材料輻射缺陷、污染、刻蝕和氚滯留等對於聚變技術的重要性，並圍繞該工作掀起全球性的研究熱潮。認識到電漿輻射引起第一壁和偏濾器的表面缺陷、刻蝕，以及刻蝕物種的再沉積對於 ITER 系統長時間運行十分不利。堆芯複合產生的高能中性物種，以及中性束注入的高能中性物種也導致面向電漿材料的輻射損傷。德國 IPP Garching 聚變研究小組 Wu 等系統評述了歐盟 R&D 關於 ITER 裝置面向電漿材料（B、C、W）的輻射損傷、中子效應、氚滯留物去除等研究進展。目前發現，快中子與面向電漿材料的相互作用可造成材料的損傷，改變材料的熱力學特性，引起材料腫脹和氚的滯留等。由於偏濾器處熱載過高，偏濾器材料需要承受中子損害、過高的熱流，以及高流強引起的輻射等。輻射物種可能引起共沉積現象，導致氚在面向電漿材料表面的滯留。因此，歐盟 R&D 潛在的工作需要致力於認清中子誘導的器壁損傷、刻蝕和共沉積過程、氚的滯留現象、濺射產生的塵埃形成過程、以及氫的反應過程等等。
輻照缺陷
缺陷產生機理
關於快中子輻射損傷的理論和實驗研究很早就在進行,現在己較為成熟。快中子的位移損傷,主要是由初級反衝原子造成的。快中子通過位移效應,使大量的晶格原子獲得能量,克服位移閾能成為初級反衝原子,初級反衝原子又通過相互作用使周圍原子獲得動能,成為次級反衝原子,依此類推,形成級聯碰撞,最終形成許多空位一間隙對。它們可以是互相孤立的,也可能集中在很小的級聯體積內。初級反衝原子的損傷類似於相當能量的離子注入的情況。反應堆中快中子的動能在10Kev一10Mev範圍。
美國國家輻射防護委員會推薦的分類法,因此初級反衝原子的動能可以相當大,但其運動速度仍小於原子殼層電子的軌道速度,所以大部分時間裡,運動著的初級反衝原子呈電中性,它與其他晶格原子作用的強度由托馬斯一費米強禁止庫侖勢決定,它的主要的能量損失方式有兩種反衝原子和靶原子之間的禁止庫侖散射原子過程反衝原子上的電子與靶材料中的各種電子束縛電子和自由電子之間的相互作用電子過程,前者在徑跡周圍產生晶格畸變,後者產生電離。Lind.hard等人發展的原子阻止理論簡稱理論對此討論甚詳低能時庫侖散射是比較重要的過程,能量高過某一值後電離成為占優勢的過程。當在更高能量時反衝速度超過了軌道電子的速度,反衝原子是以正離子的形式運動的。由於反應堆中子慢化技術的提高,快中子的位移損傷越來越次要。原子刀衰變反衝也能產生位移損傷,其能量足以產生空穴一間隙原子對。此外,γ輻射反衝也可產生位移損傷。
位移損傷性質
具有不同能量的各種粒子輻照直拉矽時,產生輻照損傷的機理是複雜的,但當粒子能量較高時快中子和重的帶電粒子,大多會產生位移效應。在矽單晶中,常規情況下原子按一定規則整齊地排列在晶格上,處於能量最低態。輻射產生的空位和間隙原子擾亂了晶格的完整性,使系統處於激髮狀態,這種狀態不穩定,不能長久維持。因而,缺陷在一般情況下是不穩定的,如果溫度不是很低,尤其是在以上時,空位和間隙原子可以在晶格中移動,通過複合與擴散使系統恢復到穩定狀態為止。引起這種遷移運動的原因是點陣形變和熱運動。促使激勵點陣的非平衡狀態恢復到平衡狀態的可能的反應是空位和間隙原子的遷移在遷移中它們或者互相湮沒,通過計算機模擬表明,如果空位與間隙原子分開的距離小於個原子間距,則點陣形變足以促使它們自發的湮沒或者沉陷於溝壑指表面、位錯、層錯而被凍結或者彼此形成穩定缺陷或者與晶體中的雜質氧等形成穩定缺陷。由於晶格恢復平衡狀態的反應有幾種,而可提供的空位和間隙原子數量有限。故這些反應相互競爭,由幾率大的反應控制恢復過程。各種類型缺陷的密度與產生某種類型缺陷的反應所需的能量有關。因此在不同溫度下進行的輻照,可以產生不同的結果,後續的熱處理對輻照缺陷的形
態也有很重要的影響。
並非所有的缺陷都具有電活性,沒有電活性的缺陷對材料電學性能沒有顯著的影響。
一般說來,輻照缺陷密度越大,對矽單晶電學性能的影響也越大,呈受主態或施主態能級的輻照缺陷主要影響或型矽單晶的載流子濃度、導電類型,而禁帶中央附近能級的輻照缺陷可形成電子的有效複合中心,主要對矽單晶的壽命產生影響,因矽的壽命主要由通過複合中心的間接複合所決定。另外,由於輻照缺陷對載流子的散射作用,影響其遷移率。高能粒子輻照直拉矽單晶,一般情況,型的電阻率變化相對較小,型的電阻率變化相對較為顯著,壽命減小明顯。我們知道,輻照缺陷對矽電學性能影響與矽原有的費米能級有關,而矽的費米能級與其中摻雜雜質的種類及數量有關,因而同樣高能粒子輻射,矽的導電類型不同,電阻率不同,受影響也不同。
空位型性質
輻照缺陷中最簡單的就是單空位。單空位可能處於四種荷電狀態,即二重負電荷、一重負電荷、中型以及一重正電荷。當卜時負電荷在型矽中它是可動的而在型矽中,則要在T>160K是中型它才可動。
觀測的雙空位也有四種荷電狀態,。在用重粒子、中子或高能電子輻照時,它有可能作為一次缺陷而引入。在520一570K的溫度下,雙空位被退火掉。如果輻照劑量高,以及在無位錯材料中,退火溫度應有所提高。雙空位在禁帶中占據的能級為Ec-0.4ev一Ev+0.27ev、以及接近禁帶中心這樣三個位置。由三個空位組成的絡合物是輻照的矽在T>420K下退火出現的,退火溫度T>550K時才逐漸消失。由四空位組成的絡合物常取兩種結構,即平面和非平面的。這一類缺陷具有中性的一和一重負電荷一兩種荷電狀態。退火接近時,一的電子順磁共振信號譜消失了。在同一溫度下,觀察到了非平面四空位的出現,但當退火溫度仆時它也被退火掉。用中子和帶電離子輻照矽時將生成五空位絡合物一,並存在一重負電荷狀態。它在退火後產生,直到大約的溫度都是穩定的。
間隙型性質
在輻照的過程中即使輻照溫度降低到這樣低的溫度,間隙原子也是可動的,因此間隙原子在矽中是很不穩定的。普遍認為矽的間隙原子可能處於三種荷電狀態隊當費米能級分布在Ec-0.4ev以上時,帶一重負電荷；費米能級低於Ec+0.4ev時,帶一重正電荷還有就是中性態。間隙原子的遷移能取決於其荷電狀態,對於帶負電的、帶正電的及中性態的間隙原子它們大致上分別對應於~0.35ev、0.85ev、1.5ev，對於矽單晶實際上總是含碳的,碳原子通過輻照很容易移動到間隙位置,在接近室溫時~40℃間隙位置上的碳原子就已經可動了,導致了在含碳的矽單晶中雙空位的產生率急劇增加,若有氧存在這種效應就會變的不明顯。這是因為氧和碳很容易形成各種絡合物,它們具有不同的溫度穩定性在160~180℃出現,在隨後220一340℃退火掉。在含碳、氧的矽中還會形成更複雜的缺陷中心,CO+V即CO分子同雙空位的絡合物,能夠引起Si-G15電子順磁共振譜,它的能級位置為Ev+0.32ev。同時Si-G16電子順磁共振譜一也跟這種缺陷的負荷電態有關,深能級瞬態譜中Ec-0.43ev的電子能級與之也有聯繫。間隙型缺陷對材料的電學性能的影響較小。這是因為間隙原子的遷移率很大,一旦形成,便迅速遷移到溝壑。沉陷於溝壑中的間隙原子和間隙團,可以在大於800℃的溫度下對材料的電學性能產生顯著的影響。
無序區
當用能量高於的電子、中子、離子輻照矽時,會產生無序區。最初的模型認為無序區的中心部分是半導體受到特別高劑量輻照之後被嚴重損傷了的材料,它同未被破壞的晶體被空間電荷區隔開。有人提出一個關於無序區形成和退火的模型由於初始輻照條件下把足夠高的能量傳給材料原子,形成了由單空位和間隙原子組成的凝聚團。間隙原子一旦出現就會遷移。它有可能同空位湮滅,或者在樣品中擴散而離開損傷區,作為此過程的補充,空位能夠同雜質和雙空位形成在一定溫度下穩定不動的絡合物。室溫下,因間隙原子在事實不動的空位背景上強烈遷移,即使經過巧秒數量級的時間,也已經有部分空位一間隙對被退火掉。與此同時,在損傷區同基底材料之間的分界面上,間隙原子的濃度梯度是很大的,故在這段時間內,它們的大部分會離開這個區域,因而留在損傷區的只是單空位的凝聚團。在稍後的時間裡單空位在損傷區及其最近的區域裡遷移。這時,在損傷區形成了雙空位,而在它的周圍則形成了空位同氧等濃度較高的雜質的絡合物,即無序區,它是“缺陷一雜質”包圍的殼層。樣品中單空位的滲透深度以及無序區的最終尺度,都將取決於樣品中能同單空位形成穩定絡合物的那些雜質的濃度。如果輻照的劑量足夠大那么晶體中就仍然會有空位和間隙原子產生。無序區結構的不均勻性、局部的彈性應力以及電場的存在,都會促使他們同周圍的環境相適應,被點缺陷綴飾,以及形成更大的缺陷,同時無序區的電荷就會趨於零。
