Радиационные дефекты в оксиде цинка

Целью работы является изучение теоретических и экспериментальных методов исследования радиационных дефектов в оксиде цинка.

Для достижения цели необходимо выполнение следующих задач:

• описание собственных и радиационных дефектов в оксиде цинка;
• изучение взаимодействия заряженных частиц с веществом и радиационного дефектообразования в терморегулирующих покрытиях на основе порошков оксида цинка;
• представление существующих экспериментальных методов определения радиационных дефектов в оксиде цинка;
• ознакомление с принципами работы в программе SRIM и изучение спектров наведенного поглощения в оксиде цинка.

1. Обзор литературы

1.1 Собственные дефекты в оксиде цинка

Оксид цинка является полупроводником группы . Существует три кристаллические модификации структуры оксида цинка: вюрцит, сфалерит (цинковая обманка) и галит (каменная соль). При нормальных условиях стандартной кристаллической структурой ZnO является вюрцит (рис. 1). На рис. 1 светлыми кружкáми показаны атомы кислорода, темными – цинка. Структура вюрцита имеет гексагональную элементарную ячейку, в которой атомы цинка находятся в тетраэдрическом окружении атомов кислорода Параметры решетки оксида цинка а=3.250 Å с=5.206 Å [20].

Рисунок 1 - Кристаллическая решетка ZnO типа вюрцит [20].

Согласно экспериментальным данным, ZnO является полупроводником с электронным типом проводимости. Концентрация электронов при комнатной температуре в нелегированном оксиде цинка составляет , что объясняется наличием собственных точечных дефектов и примесей [8]. К точечным дефектам в ZnO, в частности, относят вакансии кислорода, междоузельный цинк и междоузельный кислород. На рис. 2 показаны рассчитанные зависимости энергии образования вакансии кислорода в оксиде цинка [5].

Рисунок 2 – Энергия образования вакансии кислорода в различных зарядовых состояниях, в условиях избытка цинка [5].

Междоузельный цинк играет роль мелкого донора в оксиде цинка. В вюрците междуузельный Zn обычно находится в октаэдрическом окружении трех атомов цинка и трех атомов кислорода. Стабильным зарядовым состоянием междуузельного цинка является состояние 2⁺  [8]. Однако даже в условиях высокой концентрации Zn междуузельный цинк имеет высокую энергию образования n-типа в оксиде цинка, когда уровень Ферми расположен вблизи дна зоны проводимости, поэтому в ZnO n-типа данный тип дефектов присутствует в малых концентрациях и не может быть основным источником электронов в ZnO n-типа (рис. 3).

Рисунок 3 - Энергия образования собственных дефектов в ZnO в зависимости от положения уровня Ферми в условиях избытка Zn [8]

Исходные кристаллы ZnO, полученные различными методами и имеющие разные размеры (от десятков нм до нескольких см), обладают n-типом проводимости, т.е. содержат мелкие доноры, происхождение которых остается предметом дискуссий. В многообразных формах ZnO: монокристаллах, тонких пленках и нитях, нанокристаллах, иглах и так далее, как правило, регистрируются две полосы излучения: коротковолновая вблизи края поглощения кристалла, т.е. краевая люминесценция, и широкая длинноволновая полоса, максимум которой обычно лежит в зеленой области спектра (рис. 4).

1. Агафонцев В.Ф. Деградация оптических свойств пигментов оксида и ортотитаната цинка и изготовление на их основе терморегулирующих покрытий космических аппаратов при облучении протонами. Автореф. дис. … к. ф.-м. н. − М., 1984. – 27 с.
2. Верхотурова И.В., Нещименко В.В. Исследование совместного действия заряженных частиц / И.В. Верхотурова, В.В. Нещименко // Вестник АмГУ – 2020 – 89. С. 45-49.
3. Гришаева Т.И. Методы люминесцентного анализа СПб.: НПО «Профессионал», 2003. – 225 с.
4. Гусева В.Б., Зацепин А.Ф., Чолах С.О., Конев С.Ф. Применение радиоспектроскопии для изучения радиационных дефектов в твердых телах. Учебное пособие. - Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2014. - 64 с.
5. Замбург Е.Г. Разработка и исследование технологических основ формирования наноструктурированных пленок ZnO методом импульсного лазерного осаждения для чувствительных элементов газовых сенсоров // дис. раб. к-та тех. наук, 2015.
6. Кондрашов, Э.К., Веренинова, Н.П. Терморегулирующие лакокрасочные покрытия класса «солнечный отражатель» / Э.К. Кондрашов, Н.П. Веренинова // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2020. – № 2. – С. 24-28.
7. Лашкарев, Г. В. Свойства оксида цинка при низких и средних температурах / Г.В. Лашкарев, В. А. Карпина, В. И. Лазоренко, А. И. Евтушенко, И. И. Штеплюк, В. Д. Храновский // Физика низких температур. – 2011. – Т.37, № 3. – С. 289–300. – Режим доступа: http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/ 123456789/118516/08-Lashkarev.pdf
8. Максимова О.В. Влияние легирования и условий осаждения на локализацию и перенос электронов в тонких плёнках оксида цинка и оксида индия. Дис. … к. ф.-м. н. − М., 2015. – 132 с.
9. Михайлов, М.М. Оптические свойства порошков оксидов металлов при облучении : моногр. / М.М. Михайлов. – Томск : Изд-во. АН СССР, 1988. – 417 с.
10. Михайлов, М.М. Изменение оптических свойств терморегулирующих покрытий космических летательных аппаратов под действием протонов солнечного ветра/ М.М. Михайлов, В.В. Шарафутдинова // Известия вузов. «Физика». – 1998. – № 6. – C. 83-88.
11. Михайлов, М.М. Способы повышение фото- и радиационной стойкости пигментов и терморегулирующих покрытий космических аппаратов // В сборнике: Актуальные вопросы проектирования автоматических космических аппаратов для фундаментальных и прикладных научных исследований. Посвящается 80-летию Акционерного общества «Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина». – 2017. – С. 196-202.
12. Михайлов М.М., Нещименко В.В., Юрьев С.А. Отличительные особенности спектров отражения и радиационной стойкости покрытий, изготовленных на основе порошков ZnO, модифицированных наночастицами SiO2 // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2013. – № 96. – С. 78–82.
13. Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 56709-2015 «Здания и сооружения. Методы измерения коэффициентов отражения света поверхностями помещений и фасадов» (утв. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 13 ноября 2015 г. N 1793 стр. 2.
14. Нечипоренко А.П., Орехова С.М., Л.В. Плотникова и др. Спецализированный практикум по физико-химическим методам анализа / СПб: Университет ИТМО. 2016 – 182 с.
15. Никитин В. А. Спектрофотометр // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. - Т. 4. - С. 626. - 704 с.
16. Нищеменко, В.В. Оптические свойства, структура и радиационная стойкость пигмента оксида цинка, модифицированного нанопорошками: дис. канд. физи-ко-мат. наук : 01.04.07 / В.В. Нищеменко; АмГУ. - Благовещенск, 2009. – 137 с.
17. Нещименко, В.В. Структура, свойства и радиационная стойкость оксидных микро- и нанопорошков и отражающих покрытий, изготовленных на их основе [Текст]: дис. докт. физ.-мат. наук: 01.04.07 / В.В. Нещименко; ФГБОУ ВО ТУСУР. – Томск. – 2016. – 273 с.
18. Шамаев А.М., Озерский М.Д. Разработка методики по оценке радиационной стойкости терморегулирующих покрытий космических аппаратов функционирующих на геостационарных орбитах // Сборник статей по материалам участников VI ежегодной научной конференции аспирантов «МГОТУ». – 2015. – C. 419-425.
19. Чирская, Н.П. Математическое моделирование взаимодействия космических излучений с гетерогенными микроструктурами: дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.20, 01.04.16 / Н.П. Чирская; МГУ. – Москва, 2014. – 129 с.
20. Lorenz K., Alves E., Wendler E., et al. Damage formation and annealing at low temperatures in ion implanted ZnO // Applied physics letters. – 2005. – V.87. – P.191904-191907.
21. Norton, D.P.Heo, Y.W., Ivill, M.P., Ip, K., Pearton, S.J., Chisholm, M.F., Steiner, T. ZnO: growth, doping and processing // Materials Today. – 2004. – v. 6. – p. 34-40.
22. Ziegler J. F. (2004). "SRIM-2003". Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 219–220: 1027. Bibcode:2004NIMPB.219
23. Пакет программ http://www.srim.org
24. Пакет программ https://www.gel.usherbrooke.ca/casino/index.html