Ядерно-физические методы для изучения модифицированных приповерхностных областей материалов и тонких пленок

Актуальность темы

.

В настоящее время изучение физических явлений в поверхностных слоях твердых тел и различных самоподдерживающихся и поверхностных пленках особенно актуально" в связи с бурным развитием интегральной схемотехники и оптоэлектроники, возрастающим использованием наноматериалов и нанотехнологий, с применением в науке, технике и производстве новых материалов и приборов, способных работать при высоких температурных и радиационных нагрузках в течение длительного времени, веществ с особыми свойствами [1 — 7].

При проведении исследований необходимо иметь характеристики слоев атомов, как прилегающих к поверхности^ так и находящихся на глубине до нескольких микрон. Характерные области анализа материалов приведены на рис. 1. При этом важно исследовать как интегральное содержание различных химических элементов, так и их концентрационные профили в поверхностных слоях и пленках тех элементов, которые кардинально влияют на свойства этих материалов, и на их изменение при взаимодействии с внешней средой (температура, облучение, взаимодействие с плазмой и т. п.).

Для исследования этих процессов применяются различные физические методы исследований, способные различать даже отдельные атомы и молекулы на поверхности и управлять их перемещением. Список наиболее часто применяемых методов на пучках ионовэлектронов и рентгеновского излучения и их аналитических характеристик, приведен в табл. 1 [1−4, 8−13].

Выбор комбинации методов зависит от объема и качества необходимой информации, а также возможностей каждого из них (табл. 1). Необходимо отметить, что не существует метода, который был бы универсальным, что мог быть применен для всех комбинаций исследуемых материалов и давал бы при этом необходимую чувствительность и точность измерений. Набор применяемых методов исследований всегда конкретен и определяется той задачей, которую необходимо выполнить.

Среди этих методов по толщине исследуемого слоя, чувствительности и ряду других характеристик свою нишу занимают ядерно-физические методы количественного элементного анализа, основанные на использовании пучков ионов с энергиями от 0,5 до нескольких МэВ с приповерхностными слоями материалов[8−13]:

• спектрометрия обратного резерфордовского рассеяния (ОРР);

• спектрометрия ядерных реакций (ЯР);

• ионный рентгеноспектральный анализ (ИРСА).

Методы ядерного микроанализа в настоящее время являются эффективным средством для решения различных аналитических проблем. Они имеют высокую точность количественного анализа (лучше 5%), локальность по глубине до 10 нм и являются неразрушающими. о • о.

АНАЛИЗ объемного анализа материалов. Стрелкой указан диапазон глубин в образце для исследования методами ядерного микроанализа.

Таблица 1. Сравнение пучковых методов элементного анализа.

Метод анализа Процесс Информа ция об элементах Исследуемая глубина, мкм Предел обнаружения, % Точн ость, % Разреш ение по глубин е, нм Способ анализа по глубине.

Спектрометрия ядерных реакций Л/р г<1б 1−5 ю-'-ю" 6 1−5 <10 Неразруша-ющий.

Спектрометрия резерфордовского рассеяния л/' п-и 1−5 1-Ю" 3 1−5 <10 Неразруша-ющий.

Спектроскопия ядер отдачи /н Н, О, Не 5 Ю’МО" 4 1−5 <40 Неразруша-ющий.

Спектроскопия медленных ионов (Е~кэВ) и с-и 0,0003 Слой атомов 0,1 -50.

Ионный рентгеноспект-ральный анализ р х N3−11 1−10 Ю’МО" 4 3−5.

Рентгено-флуоресцентный анализ (X—>Х) х X с-и 0,5 Ю-'-Ю" 4 3−10.

Флуоресцентный анализ с синхро-тронным излучением си х с-и 0,5 10″ э 3.

Электронный микроанализ ' с-и 0,03 КГ'-КГ* 3−10 30 Разрушающий с распылением.

Электронная Ожеспектроскопия п-и 0,001 0,1−1 ~50 1 Разрушающий с распылением.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия / - ы-и 0,001 0,1−1 -50 1 Разрушающий с распылением.

Массспектрометрия вторичных ионов и/м Не-и, профили 0,001 Ю-'-Ю" 7 До 50 1 Разрушающий с распылением.

Ядерно-физические методы элементного анализа являются в настоящее время важным и необходимым средством решения задач, как аналитики, так и создания материалов с необходимыми свойствами [5−13]. Применяя их, можно изучать:

• качественный и количественный состав и структуру образцов многокомпонентных материалов;

• количественное определение следовых количеств элементов в образцах;

• количественное определение толщины пленок для однои многослойных многокомпонентных пленочных структур и покрытий;

• построение количественных концентрационных профилей основных и легирующих элементов по глубине для пленочных и объемных образцов;

• исследование поверхностных пленок на проволоках;

• количественную характеристику переходных областей «пленка-пленка», «пленка-подложка» и «пленка-атмосфера» для изучения взаимодействия пленок между собой, с подложкой и окружающей средой;

• исследование взаимодействия поверхности материала с плазмой в экстремальных условиях.

В настоящее время в различных странах эксплуатируются около тысячи экспериментальных установок, предназначенных для проведения элементного анализа с помощью спектрометрии обратного резерфордовского рассеяния и ядерных реакций. Имеются такие установки и в пределах бывшего СССР, однако их число значительно сократилось, особенно в Российской Федерации. Производство ускорительных комплексов налажено в ряде стран (США, Голландия).

Эти методы были развиты на созданном в ПИЯФ им. Б. П. Константинова измерительно-аналитическом комплексе. Они широко применяются для решения актуальных проблем для изучения новых материалов, процессов и явлений.

В настоящее время многопроволочные газонаполненные пропорциональные камеры широко используются для экспериментов в различных физических и прикладных исследованиях, поскольку обладают хорошим пространственным и временным разрешением и способны работать при высокой счетной загрузке. Они являются одними из основных детекторов в координатных системах современных экспериментальных установок в физике высоких энергий и элементарных частиц: CERN, DESY, FNAL, LHC [5, 6, 15−19]. Детекторы частиц для Большого Адронного Коллайдера (Large Hadron Collider.

— LHC) в CERN должны обладать существенно более высокими рабочими параметрами, чем те, которые были достигнуты ранее [15−19]. Эти детекторы-должны иметь очень высокую надежность, которая позволяла бы им работать в течение нескольких лет без непосредственного доступа персонала для обслуживания, ремонта и замены. Проведенные оценки показали, что уровень радиации вблизи пучка кольца коллайдера за 10 лет работы приведет к накоплению очень большого заряда на единицу длины анодных электродов газонаполненных детекторов 10-ИЗ Кл/см [17, 18]. Это, по крайней мере, на 1−2 порядка выше, чем достигалось в предыдущих экспериментах на больших ускорителях. Отсюда ясно, что создаваемое поколение проволочных газонаполненных детекторов должно иметь существенно более высокие уровни радиационной стойкости. Стала актуальной проблема ограниченности времени жизни газонаполненных счетчиков в реальных экспериментах из-за изменения их характеристик при больших аккумулированных дозах облучения так называемая проблема деградации или старения (по-английски — aging).

В связи с этим были необходимы исследования изменений приповерхностных слоев электродов пропорциональных камер, в том числе анодных проволочек в зависимости от аккумулированной дозы облучения (эффект старения). Исследованию этих процессов отводится значительное место на различных Международных конференциях по большим детекторам частицтак в 2002 году для рассмотрения этих проблем в Гамбурге было организовано специальное Международное совещание по явлениям старения газонаполненных детекторов [20].

Ранее при небольших поглощенных дозах на поверхности облученных электродов из-за взаимодействия поверхности с атомами окружающей среды и конструкционными материалами детекторов наблюдались окисление незащищенной поверхности и образование на них различных отложений и наростов (рис. 2, а и Ь) [21−25].

Аи- 1,2 мкм.

Рис. 2. Фотографии, иллюстрирующие изменение морфологии поверхности и поперечных размеров облученных анодных проволочек: углеродные нити (а), кремниевый налет (Ь) на поверхности анодной проволочки (газовая смесь 30%Аг+70%С02, поглощенная доза 0,25 Кл/см) — вид анодной проволочки до © и после (с1) облучения дозой 3,4 Кл/см (газовая смесь 70%Хе+10%С02+20%СР4) — е) доза 9 Кл/см: наблюдается увеличение диаметра золоченной вольфрамовой проволочки с 35 до 42 мкм. и.

В последних экспериментах по старению электродов детекторов дрейфовых камер при больших аккумулированных дозах (до 10 Кл/см) наблюдалось появление трещин на поверхности проволоки и увеличение диаметра облученной части анода, изготовленного из золоченой вольфрамовой проволоки диаметром от 25 до 50 мкм, на величину до 20% (рис. 2, с! и е) [26−29].

Для исследования модифицированного при облучении приповерхностного слоя анодной проволоки были применены ядерно-физические методы элементного анализа [10,11,25].

Современное состояние телекоммуникационных технологий требует интегрирования различных оптических функций при малых размерах приборов, т. е. развития тонкопленочных технологий'. При создании фотонных систем передачи информации стоит, в частности, задача разработки усилителей и генераторов оптических импульсов, способных работать в окнах прозрачности оптического волокна. По потребляемой мощности, размерам и способности работать совместно с другими устройствами волоконно-оптической связи преимущество за пленочными полупроводниковыми усилителями и источниками излучения. Другие преимущества оптических линий связи — это широкая полоса пропускания, малая толщина и вес, неподверженность влиянию электромагнитных полей.

На рис. 3 показана спектральная характеристика потерь излучения в кварцевом волоконном световоде. Как видно на рисунке, потери вблизи длины волны 1,55 мкм составляют 0,2 дб/км, что на два порядка меньше, чем в медных линиях связи. Для успешной практической реализации выше перечисленных приборов на тонкопленочной основе критическим является выбор хорошо адаптированного для поставленных целей основного материала (матрицы), легирующего РЗЭ и его концентрации 1−2 ат.%].

К настоящему времени существует целый ряд работ, в которых исследовались методы получения и свойства легированных редкоземельными элементами различных тонкопленочных структур, изготовленных из различных полупроводников: кристаллических, аморфных гидрогенизированных, стеклообразных [30−41].

Заметный интерес среди редкоземельных элементов представляет эрбий, так как в нем длина волны 1,54 мкм оптического перехода из первого возбужденного состояния 4113/2 в основное 4115/2 во внутренней 41-оболочке редкоземельного иона Ег3+ совпадает с длиной волны, соответствующей минимуму потерь в кварцевых волоконно-оптических линиях связи (рис. 4).

Полоса 0.8 мкм.

Потери при распространении. дб/км.

Дисперсия материала (пс/пм)/км о. е а, 8 /, а 1, е.

Длина волны, мкм.

Рис. 3. Спектральные характеристики потерь излучения в кварцевом волоконном световоде.

Энергия, а) (103 см" ').

Ег34.

20 Н.

0 п/г 5У1 я/г >я/г.

13/2.

45/2.

Е а. 1.

00 т ч- 1Л.

Длина волны,.

— 0.54.

— 0.66, 0.80 • 0.98.

1.53.

Ь).

Ег.

1.4 1,6.

Длина волны, мкм с).

Ег.

1,4 1,5 1,6 Длина волны, мкм.

Рис. 4. а) Диаграмма энергетических уровней эрбия Ег3+ в свободном состоянии (слева) и твердотельной матрице. Спектр фотолюминесценции эрбия в Ь) монокристаллическом кремнии при Т=1,8 К и с) аморфном кремнии при комнатной температуре.

Впервые фотолюминесценция эрбия на длине волны 1,54 мкм в пленках аморфного гидрогенизированного кремния (а-8Юх:Н<�Ег, 0>) наблюдалась в работах [46, 47, 48], и так как а-8кН<�Ег> проявляет полупроводниковые свойства, это открывает возможность для получения светоизлучающих структур на основе аморфной кремниевой матрицы.

Для введения редкоземельных элементов в матрицу применяются различные методы: ионная имплантация, молекулярно-лучевая эпитаксия, лазерное распыление, диффузия, магнетронное распыление и термическое со-испарение из двух независимых источников.

По сравнению с кристаллическим кремнием б’олыпая концентрация редкоземельных элементов в матрице может быть достигнута в аморфных гидрогенизированных и халькогенидных стеклообразных полупроводниках.

Нами исследовались структурные и фотолюминесцентные свойства пленок аморфного гидрогенизированного кремния, легированного эрбием и кислородом а-8Юч:Н<�Ег, 0>, которые были получены в ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН методом магнетронного распыления на постоянном токе (?/с-метод) металлического эрбия в атмосфере, содержащей силан (ЗШЦ), аргон и кислород.

Уникальные свойства халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП): низкие фононные энергии, высокий коэффициент преломления и прозрачность в ближней и средней ИК областях спектра делают их очень привлекательной матрицей для легирования РЗЭ с точки зрения практической реализации этих объектов. В частности, отсутствие полос поглощения гидроксильных групп на длине волны 1,54 мкм дает возможность реализовать широкополосный усилитель на допированном эрбием халькогенидном стеклообразном полупроводнике, работающем в диапазоне между 1,2 мкм и 1,7 мкм [49]. В работах [50, 51] было показано, что для эффективного легирования аморфных пленок Аз28е3 ионами РЗЭ можно применять новый метод модифицирования их летучими комплексными соединениями (КС) РЗЭ: дипивалоилметанатами РЗЭ Ьп (Шс1)з (Ьп=Рг, N<1, Ей, Ег).

Исследования состава, структурных и фотолюминесцентных свойств пленок халькогенидного стеклообразного полупроводника, легированного комплексными соединениями (КС) редкоземельных элементов, Аз28ез: Ьп (Шс1)з представлены в настоящей работе.

В настоящее время одна из важнейших проблем термоядерной энергетики — удержание высокотемпературной плазмы в течение времени, необходимого для осуществления реакций управляемого термоядерного синтеза. С этой целью проектируются и строятся специальные установки — токамаки. В ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН был сооружен и в 1999 году запущен сферический токамак «Глобус-М» [52, 53]. Кроме изучения фундаментальных свойств дейтериевой плазмьт на нем проводятся крайне важные исследования для выбора материалов, необходимых для первой стенки термоядерного реактора и защитных покрытий для них [54, 55]. Эти результаты необходимы при создании международного термоядерного реактора ИТЭР.

Для защиты первой стенки реактора обычно применяются тайлы из углеродных материаловлегированные* титаном, бором и кремнием. На стенки, взаимодействующие с плазмой наносятся тонкие боро-углеродные пленки.

В диссертации представлены исследования «смешанных» слоев, образующихся на защитных покрытиях вакуумной камеры токамака «Глобус-М», после их взаимодействия с дейтериевой плазмой в течение ~ 10 000 разрядов.

Цель работы.

• Разработка и применение для решения различных аналитических проблем количественных неразрушающих ядерно-физических методов исследования состава приповерхностных слоев образцов и самоподдерживающихся пленок, включая спектрометрию обратного резерфордовского рассеяния и ядерных реакций, ионного рентгеноспектрального анализа.

• Разработка и создание измерительно-аналитического комплекса для исследования материалов неразрушающими ядерно-физическими методами элементного анализа на ускорительном комплексе ЭСУ-2 в Петербургском институте ядерной физики им. Б. П. Константинова РАН.

• Создание работающего на пучке ускорителя кристалл-дифракционного спектрометра для расширения аналитических возможностей комплекса.

• Разработка методов количественного определения элементов с малым атомным номером (ъ < 10) для исследования тонких проволок.

• Исследование ядерно-физическими методами элементного анализа новых материалов, процессов и явлений:

Изучение процессов деградации (старения) изготовленных из золоченой вольфрамовой проволоки анодов дрейфовых камер, применяемых в экспериментальных установках на ЬНС, при высоких дозах облучения;

Исследование зависимостей состава и фотолюминесцентных свойств тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния, легированных эрбием, а-8Юх:Н<�Ег, 0>, от условий их изготовления;

Изучение процессов растворимости комплексных соединений редкоземельных элементов в тонких пленках триселенида мыщьяка;

Исследование элементного состава модифицированных защитных покрытий и пленок на внутренней поверхности вакуумной камеры сферического токамака Глобус-М, работающего с дейтериевой плазмой.

Новизна, научная ценность работы заключается в следующем:

• Для анализа элементного состава вещества методом ионного рентгеноспектрального анализа впервые спроектирован и установлен кристалл-д и фракционный спектрометр.

• Для регистрации заряженных частиц впервые применены модернизированные прецизионные кремниевые детекторы с тонким входным окном ~ 200 А, изготовленные методом фронтальной диффузии бора.

• Методы спектрометрии ядерных реакций и обратного резерфор-довского рассеяния широко применены для исследований модифицированных высокими дозами облучения проволочных анодов газонаполненных детекторов. При дозах облучения от 1 до 10 Кл/см обнаружено проникновение атомов кислорода и фтора на всю глубину защитного золотого покрытия вплоть до вольфрамовой основы анодной проволочки.

• Исследованы оптимальные условия получения, состав и фотолюминесценция пленок аморфного гидрогенизированного кремния, легированного эрбием и кислородомвнешний квантовый.

Л I выход ФЛ ионов эрбия Ег на длине волны 1,54 мкм при 300К достигает 0,5%, что на сегодняшний день является наибольшим для ФЛ эрбия в подобных матрицах.

• Методами ядерного микроанализа проведены исследования новых тонкопленочных люминесцирующих структур на основе халькогенидного стеклообразного полупроводника А528е3, модифицированного летучим комплексным соединением дипивалоилметаната РЗЭ Ьп (1Ьс1)з (Ьп=Ег, Ей, ТЬ) и определены оптимальные условия их получения.

Практическая значимость работы.

Создан современный измерительно-аналитический комплекс для исследования приповерхностных слоев материалов и тонких пленок ядерно-физическими методами элементного анализа.

На аналитическом комплексе выполнен комплекс физических и технологических исследований для определения оптимальных условий облучения образцов (стабилизация энергии, положения пучка ионов в пространстве, измерение количества частиц, взаимодействующих с образцом) и измерения вторичных излучений, возникающих при взаимодействии протонов и дейтронов с мишенью.

Разработан комбинированный способ изучения состава вещества, объединяющий ионный рентгеноспектральный анализ, спектроскопию ядерных реакций и обратного резерфордовского рассеяния.

Применение для исследований пленок, содержащих атомы с большими и малыми атомными номерами, пучков дейтронов в методах спектрометрии обратного резерфордовского рассеяния и ядерных реакций позволило существенно повысить точность определения состава и концентрационных профилей;

Созданные экспериментальные установки и разработанные методики применялись для решения многих ряда научных и прикладных задач.

Исследования по изучению модифицированных большими дозами облучения приповерхностных слоев анодных проволочек пропорциональных газонаполненных детекторов способствовали улучшению их конструкции и выбору рабочих материалов.

Исследования свойств пленок аморфного гидрогенизированного кремния и халькогенидных полупроводников, легированных редкоземельными элементами, показали, что они являются перспективными материалами для телекоммуникационных технологий и устройств оптоэлектроники ближнего и среднего ИК-диапазона, а также в видимой области.

Исследование модифицированных при взаимодействии с дейтериевой плазмой защитных покрытий вакуумной камеры (боро-углеродных пленок и углеродных тайлов) сферического токамака Глобус-М показало, что на их поверхности образуются «смешанные» слои толщиной до нескольких микрон, в состав которых входят дейтерий и элементы, используемые в конструкции прибора. Результаты исследований внутренних стенок токамака «Глобус-М», взаимодействующих с дейтериевой плазмой, будут необходимы при создании новых установок.

Апробация работы.

Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на: Всесоюзном совещании «Ядерно-физические методы анализа на заряженных частицах» (Ташкент, 1978 г.) — XIII Всесоюзном совещании по рентгеновской и электронной спектроскопии (Львов, 1981 г.) — II Всесоюзном совещании «Ядерно-физические методы в контроле окружающей среды» (Рига, 1982 г.) — III Всесоюзной конференции «Микроанализ на ионных пучках» (Сумы, 1990 г.) — на XI, XII, XIII Совещаниях по электростатическим ускорителям (г.

Обнинск Калужской обл., 1995, 1997, 1999 гг.) — 9th и 11th Vienna Conference on Instrumentation «VCI» (Vienna, Austria, 2001 и 2007 гг.), International Workshop on Aging Phenomena in Gaseous Detectors (DESY, Hamburg, 2001 г.) — Международном симпозиуме «Фотои электролюминесценция редкоземельных элементов в полупроводниках и диэлектриках» (Санкт-Петербург, 2001 г.) — XII Международном симпозиуме «Тонкие пленки в электронике» (Харьков, Украина, 2001 г.), 29th EPS Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion (Montreux, Switzerland, 2002 г.) — Ill, IV, V и VI Международных конференциях «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, 2002, 2004, 2006, 2008 гг.), VII Международной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Санкт-Петербург, 2002 г.), LI и LVI (г. Саров, Россия,-2001 й 2006 гг.) — и’LIX (Чебоксары, Россия, 2009 г.) Международных конференциях по проблемам ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, 13 th International Conference on Fusion Reactor Materials (Nice, France, 2007 г.) — 22nd IAEA Fusion Energy Conference (Geneva, Switzerland, 2008 г.).'.

•Научные результаты, вошедшие' в настоящую диссертацию, опубликованы в 51 печатной работе, из них в 23 российских и 12 иностранных рецензируемых журналах, ¦ в' Материалах Всесоюзных''-'и Международных конференций: и в различных научно-технических сборниках. > • 1 ' • ¦ • •" -" •' •. ¦: «' ' ! '.

I'. Л.-',. ¦.. • •: • • ¦¦•'. <�•.•¦.•: ' !

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1 ® '• Разработка ядерно-физических методов’для исследования элементного состава и структуры модифицированных приповерхностных слоев материалов и тонких пленок на пучках изотопов водорода и их ганалйтические: характеристикР1.5 •' '' • ¦' Проектирование,. создание и аналитические — возможности ¦ '- аналитического комплекса для исследования материалов методами ядерного микроанализа на пучках протонов и дейтронов ЭСУ ПИЯФ.

• Создание кристалл-дифракционного спектрометра с ионным возбуждением рентгеновской флуоресценции для исследования^ материалов и его аналитические характеристики и возможности.

• Объединение в, одном аналитическом* комплексе неразрушающих ядерно-физических методов исследования элементного анализа на пучках протонов и дейтронов: спектрометрии обратного резерфордовского рассеяния и ядерных реакций, ионного рентгеноспектрального анализа.

• Методика определения элементов с атомным номером г < 10 для исследования структуры приповерхностных слоев тонких проволочек.

• Выбор типов ускоряемых частиц и применяемых ядерно-физических методов для конкретных исследований различных материалов.

• Результаты исследований легированных редкоземельными элементами тонких полупроводниковых пленок и модифицированных приповерхностных областей объемных материалов, работающих при высоких температурных (плазма) и радиационных нагрузках (трековые детекторы для ЬНС).

Личный вклад автора.

В основу работы положены результаты экспериментальных, методических и теоретических разработок, выполненные под научным руководством или при непосредственном участии автора в период с 1976 по 2009 годы. Личный вклад автора заключался в создании измерительно-аналитического комплекса, непосредственной разработке и модернизации оригинальных методов ядерного микроанализа на пучках протонов и дейтронов, выборе объектов исследований, постановке и проведении экспериментов, обработке, обсуждении результатов, их интерпретации, обобщении и опубликовании результатов, а также в планировании и проведении работ совместно с другими организациями. Автор последние 17 лет является ответственным за разработку программ научных исследований на измерительно-аналитическом комплексе ядерно-физическими методами исследования материалов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, разбитых на параграфы, заключения со списком работ, опубликованных по теме диссертации, списка цитируемой литературы.

Основные результаты экспериментальных и методических разработок, проведенных исследований состоят в следующем:

I. В ПИЯФ им Б. П. Константинова на пучках протонов, идейтронов ускорительного комплекса ЭСУ-2 разработан, создан и эксплуатируется уникальный измерительно-аналитический комплекс для исследования приповерхностных слоев материалов и тонких пленок ядерно-физическими методами элементного анализа.

II. Впервые на пучке ионов для исследования состава вещества создан спектрометр характеристического рентгеновского излучения с дисперсией по длине волны — кристалл-дифракционный.

III. Для исследования материалов разработаны и применяются ядерно-физические методы количественного определения содержания и глубинных концентрационных профилей элементов:

• Спектроскопии обратного резерфордовского рассеяния;

• Спектроскопии ядерных реакций,.

• Ионного рентгеноспектрального анализа.

Объединение методов ядерного микроанализа в одном измерительно-аналитическом комплексе позволило существенно повысить экспрессность, чувствительность и точность анализа, разрешение при определении соседних элементов, разрешение по глубине (шаг <10 нм).

IV. Применение для исследования материалов пучков дейтронов позволило существенно повысить чувствительность и точность исследования пленок, в состав которых входят атомы с большими и малыми атомными номерами.

V. Модернизированы и широко применены для исследования модифицированных большими дозами облучения анодов газонаполненных детекторов методы спектроскопии ядерных реакций и обратного резерфордовского рассеяния.

VI. С применением методов элементного анализа на пучках протонов и дейтронов исследованы различные структуры и получены важные результаты: а) При исследовании модифицированных большими дозами облучения анодов дрейфовых камер, — изготовленных из золоченой вольфрамовой проволоки диаметром от 25 до 50 мкм, работающих с газовой смесью Аг (Хе)+С02+СР4, обнаружено обогащение золотого покрытия в зоне облучения кислородом и фтором, атомы которых проникают на всю глубину защитного слоя вплоть до вольфрамовой основы, меняя структуру приповерхностного защитного слоя из золота, что может привести к преждевременному выходу детектора из строя. б) Определены оптимальные условия изготовления и элементный состав тонких пленок аморфного гидрогенизированного кремния, легированного эрбием а-8Юх:Н<�Ег, 0>, от условий их изготовления ёс-магнетронным методом, имеющих при комнатной температуре (Т=300К) л. интенсивность фотолюминесценции введенных в пленку ионов эрбия Ег до 0,5%. в) Определены оптимальные условия растворимости летучих комплексных соединений редкоземельных элементов Ьп^фз (Ьп=Еи, ТЬ, Ег) в тонких пленках халькогенидного стеклообразного полупроводника триселенида мышьяка, полученных методом со-испарения из двух источников, для которых наблюдается фотолюминесценция ионов эрбия. г) При исследовании защитных свойств внутренних покрытий (боро-углеродных пленок и углеродных тайлов) вакуумной камеры сферического токамака Глобус-М, установлено, что при взаимодействии с дейтериевой плазмой в них образуются смешанные слои толщиной от долей мкм до нескольких микрон. Они состоят в основном из атомов углерода и бора и обогащены дейтерием и распыляемыми от деталей токамака элементами. Захват дейтерия происходит неравномерно по внутренней поверхности токамака и изменяется от <0,01 ат.% до 5 ат.%. При этом дейтерий не проникает в объем тайлов, а остается в поверхностном смешанном слое.

В заключение автор глубоко благодарит всех сотрудников группы малых ускорителей УО института, особенно В. А. Смолина, Ю. Г. Лукьянова, Б. Б. Токарева, за, плодотворную и качественную работу по эксплуатации электростатического ускорителя и за продление сроков его работы.

Также я благодарю всех моих коллег Е. И. Терукова, В. Х. Кудоярову, Ю. К. Ундалова, В. К. Гусева, В.И. Иванова-Омского, Т. К. Звонареву и других из ФТИ им. А. Ф. Иоффе за плодотворное сотрудничество при выборе направлений исследований и безвозмездную помощь в их осуществлении, полезные советы и предоставление образцов для исследований.

Особая благодарность Н. Б. Строкану, В. К. Еремину и Е. М. Вербицкой из ФТИ им. А. Ф. Иоффе за предоставление уникальных детекторов для регистрации ионов.

Также я благодарен моим коллегам из лаборатории нейтронных физико-химических исследований В. Т. Лебедеву, И. Н. Ивановой, Д. Н. Орловой и всему отделу ОИКС за помощь в решении текущих и возникающих проблем.

Я благодарен А. Г. Крившичу, Е. Г. Гаврилову и всем сотрудникам лаборатории трековых детекторов ОФВЭ за плодотворное сотрудничество при исследовании трековых детекторов, за их благожелательную критику.

Особая благодарность И. А. Митропольскому за помощь в решении проблем, возникших при представлении диссертации к защите, за его терпеливость, полезные и добрые советы.

В заключение необходимо обязательно поблагодарить мою семью за долготерпение и выдержку за последние два года.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Андриенко В. Б., Анисович К. В.,., Лебедев В. М. и др., Кристалл-дифракционный спектрометр с протонным возбуждением рентгеновской флуоресценции. // Приборы и техника эксперимента. 1983. № 3. С. 191 192.

2. Андриенко В. Б., Анисович К. В.,., Лебедев В. М. и др., Рентгенофлуоресцентный анализ с кристалл-дифракционным спектрометром при протонном возбуждении. // Сборник «Прикладная ядерная спектроскопия». 1984, Вып. 13. Энергоатомиздат. С. 178−180.

3. Дюмин А. Н., Лебедев В. М. Элементный анализ на электростатическом ускорителе. // Материалы III Всесоюзной конференции «Микроанализ на ионных пучках», г. Сумы. 17−19 сентября 1990. Редакционно-издательский отдел обл. управления по печати. 1991. С. 3−16.

4. Дюмин А. Н., Лебедев В. М., Смолин В. А. Точное определение содержания кислорода в материалах с помощью ядерных реакций. // Материалы III Всесоюзной конференции «Микроанализ на ионных пучках», г. Сумы. 1719 сентября 1990. Редакционно-издательский отдел обл. управления по печати. 1991. С. 57−62.

5. Дюмин А. Н., Кудрявцев И. В., Лебедев В. М. и др., Особенности формирования приповерхностного слоя фторсодержащих стекол // Физика и химия стекла. 1991. Т.П. № 2. С. 307−315.

6. Вербицкая Е. М., Еремин В. К.,., Лебедев В. М., К вопросу о радиационной стойкости планарных детекторов на основе высокоомного кремния // Письма в Журнал технической физики. 1992. Т. 18. Вып. 24. С. 69−73.

7. Вербицкая Е. М., Грехов И. В.,., Лебедев В. М. Исследование распределения кислорода в пленочных структурах ВТСП — изолятор на пучке легких ионов // Сверхпроводимость: физика, химия, техника. 1992. Т. 5. № 9. С. 1673−1679.

8. Дюмин А. Н., Еремин В. К., ., Лебедев В. М. и др., Количественный анализ глубинного распределения кислорода с помощью ядерной реакции на дейтронах. // Журнал технической физики. 1993. Т. 63. Вып. 9. С. 166.

172.

9. Гаврилов Г. Е., Крившич А. Г., Лебедев В. М. и др., Анализ состава и — структуры поверхностных пленок на анодных проволоках пропорциональных камер методами ядерного микроанализа. // Труды XII Международной конференции по электростатическим ускорителям, г. Обнинск. 25−28 ноября 1997 г. 1999. С. 60−65.

10. Лебедев В. М., Лукьянов Ю. Г., Смолин В. А. Аналитический комплекс для исследования материалов методами ядерного микроанализа. // Труды XIII Международной конференции по электростатическим ускорителям, г. Обнинск Калужской обл., 25−28 мая 1999 г. 2000. С. 60 — 66. I.

11. Евмененко Г. А., Лебедев В. М., Лебедев В. Т. и др., Исследование сверхпроводящих кристаллов методами рассеяния нейтронов и ядерного микроанализа. // Письма в Журнал технической физики. 1998. Т. 24. Вып. 4. С. 47−51.

12.Алексеев Е. Г., Грушко Ю. С.,., Лебедев В. М. Количественный анализ эндоэдрических металлофуллеренов с помощью обратного резерфордовского рассеяния // Письма в Журнал технической физики. 1999. Т. 25. Вып. 10. С. 24−30.

13.Бирюлин Ю. Ф., Лебедев В. М., Миков С. Н. и др., Некоторые физические свойства и элементный состав пленок звездообразных фуллерен содержащих полистиролов. // Физика твердого тела. 2000. Т.42. Вып. 10. С.1904;1910.

14.3вонарева Т.К., Лебедев В. М., Полянская Т. А. и др., Элементный состав и электрические свойства пленок а-С:Н<�Си>, полученных магнетронным распылением // Физика и техника полупроводников. 2000. Т. 34, Вып. 9. С. 1135−1141.

15.Луцев Л. В., Звонарева Т. К., Лебедев В. М., Электронный транспорт в гранулированных пленках аморфного углерода с наночастицами кобальта. // Письма в Журнал технической физики. 2001. Т. 27. № 15. С. 84−89.

16.Коньков О. И., Теруков Е. И.,., Лебедев В. М. Получение и свойства аморфных гидрированных пленок карбида бора. // Труды 12 Международного симпозиума «Тонкие пленки в электронике. ISTEE-12». Харьков. Украина. 23−27 апреля 2001 г. Изд-во ХФТИ. С. 214−216.

17.3вонарева Т.К., Иванова Е. И., ., Лебедев В. М. и др., Колебательная спектроскопия а-С:Н<�Со> // Физика и техника полупроводников. 2002. Т. 36. Вып. 6. С. 734−740.

18.Алексеев И. А., Воронина Т. В., Лебедев В. М. и др., Использование.

18 15 ядерной реакции 0(р, а) N для экспрессного определения концентрации кислорода-18 в воде // Научно-технический сборник «Вопросы Атомной Науки и Техники». Серия «Физика ядерных реакторов». 2002. Вып. ½. Москва-Саров. С. 151−155.

19.Kotina I.M., Lebedev V.M., lives A.G. et al., Study of the lithium diffusion in nanoporous carbon materials produced from carbides. // Journal of Non-Crystalline Solids. 2002. V. 299−302. Part 2, P. 815−819.

20.Kotina I.M., Lebedev V.M., lives A.G. et al., On phase composition of the lithiated samples of nanoporous carbon produced from carbides // Journal of Non-Crystalline Solids, 2002. V. 299−302. Part 2. P. 820−823.

21.Sakharov N.V., Ananiev A.S., ., Lebedev V.M. et al., Study of Vacuum Vessel Boronization in Globus-M Tokamak. // Pros, of 29th EPS Conference on Plasma Physics and Controlled Fusion. Montreux. Switzerland. 17−21 June 2002. P 5.078−081.

22. Ундалов Ю. К., Теруков Е. И., ., Лебедев B.M., Изучение влияния кислорода на интенсивность фотолюминесценции эрбия в пленках а-SiOx:H<Er>, полученных dc-магнетронным способом. // Сборник трудов III Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». С.-Петербург. 2−4 июля 2002 г. Изд-во СПбГПУ. С. 4041.

23.Ferguson Т., Gavrilov G.E.,., Lebedev V.M. et al., The effect of oxygen on anode wire swelling under high-accumulated dose. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section 2. 2002. A478. N ½. P. 254−258.

24.Gavrilov G.E., Krivchitch A.G., ., Lebedev V.M. et al., Aging investigation of the straw drift-tubes using nuclear reaction analysis. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section 2. 2002. A478. N ½. P. 258−262.

25.Ferguson Т., Gavrilov G.E., ., Lebedev V.M. et al., Anode wire swelling — a possible new phenomenon for anode wire aging under high-accumulated dose. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section 2. 2002. A483. N3.P. 698−712.

26.Ананьев A.C., Коньков О. И., Лебедев B.M. и др., Получение и свойства пленок аморфного гидрогенизированного карбида бора. // Физика и техника полупроводников. 2002. Т. 36. Вып. 8. С. 1006−1009.

27.Ferguson Т., Gavrilov G.E.,., Lebedev V.M. et al., Swelling phenomena in an anode wire aging under a high accamulated dose. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section 2. 2003. A515. N ½. P.266−277.

28.Gavrilov G.E., Krivchitch A.G., Lebedev V.M., Application of Nuclear Reaction Analysis for aging investigations of detectors. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section 2. 2003. A515. N ½. P.108−117.

29.Ундалов Ю. К., Теруков Е. И.,., Лебедев B.M. и др., Влияние площади эрбиевой мишени и кислорода на состав пленок a-SiOx:H, полученных dc-магнетронным способом, и интенсивность фотолюминесценции эрбия. // Сборник трудов IV Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», С.Петербург. 5−7 июня 2004 г. С. 71−72.

30.Лебедев В. М., Определение стехиометрии пленок ядерно-физическими методами // Сборник трудов IV Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». С.-Петербург. 5−7 июня 2004 г. С. 329−330.

31.Гамарц А. Е., Лебедев В. М., Мошников В. А. и др., Определение профиля диффузии кислорода в поликристаллических слоях селенида свинца методами ядерного микроанализа. // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 38. Вып. 10. С. 1195−1198.

32.Латухина Н. В., Лебедев В. М. Распределение компонентов в структурах «кремний-оксид кремния» и «кремний-оксид редкоземельного элемента». // Письма в Журнал технической физики. 2005. Т. 31. Вып. 13. С. 58−64.

33.Алиев P.A., Андреев В. Н.,., Лебедев В. М. и др., Влияние вакуумной термообработки тонких пленок диоксида ванадия на фазовый переход металл-полупроводник // Журнал технической физики. 2005. Т. 75. Вып. 6. С. 81−84.

34.Лебедев В. М., Васильев A.A., Взнуздаев М. Е. и др., Изготовление, определение состава и толщины самоподдерживающихся тонких углеродных пленок. // Сборник трудов V Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». С.-Петербург, 1921 июня 2006 г. Издательство Политехнического университета. С. 114 115.

35.Лебедев. В.М., Крившич А. Г., Смолин В. А., Исследование старения газоразрядных детекторов частиц методом ядерных реакций. // Научно-технический сборник «Вопросы атомной науки и техники». Серия: «Физика ядерных реакторов». 2006. Выпуск 2. Москва. С.48−55.

36.Кудоярова В. Х., Козюхин С. А.,., Лебедев В. М. и др., Состав аморфных пленок As2Se3, модифицированных комплексным соединением Ln (thd)3, (Ln=Eu, Tb), по данным ядерного микроанализа. // Неорганические материалы. 2006. Т. 42. № 8. С. 939−944.

37.Гурьянов A.M., Пашин A.B.,., Лебедев В. М. Распределение компонентов в кремниевых МДМ-структурах с диэлектрическими пленками из оксидов редкоземельных элементов. // Вестник Самарского государственного университета. Естественнонаучная серия. 2006. № 2. С. 147−154.

38.Brazhkin V.V., Ekimov Е.А.,., Lebedev V.M. et al., Lattice parameters and thermal expansion of superconducting boron-doped diamonds // Physical Review. 2006. B74. № 14. P. 140 502−1-140 502−4.

39.Данишевский A.M., Лебедев B.M., Рогачев А. Ю. и др., Фотолюминесценция слоев Si02, приготовленных на пленках /?-SiC, и анализ их элементного состава. // Физика твердого тела. 2007. Т. 49. № 5. С. 791−797.

40.Kozyukhin S.A., Kudoyarova V.Kh.,., Lebedev V.M. et al., Rutherford backscattering spectroscopy and surface morphology of amorphous As2Se3 films modified with complex compounds Ln (/M)3 (Ln=Eu, Tb, Er, Yb). // Physics and Chemistry of Solids, 2007, V. 68. Issues 5−6. P. 1117−1120.

41.Лебедев B.M., Крившич А. Г., Смолин B.A. Исследование старения газоразрядных детекторов частиц методом ядерных реакций. // Известия РАН. Серия физическая. 2007. Т. 71. № 3. С. 461−467.

42.Кудоярова В. Х., Козюхин С. А.,., Лебедев В. М., Исследование фотолюминесценции и состава аморфных пленок As2Se3, модифицированных комплексным соединением Er (thd)^ II Физика и техника полупроводников. 2007. Т. 41. Вып. 8. С. 934−940.

43.Krivchitch A.G., Lebedev V.M., Application of nuclear analysis for the fluorine content measurements under the aging investigations of gas-filled particle detectors. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section 2. 2007. A581. N1.P. 167−170.

44.Ундалов Ю. К., Теруков Е. И., ., Лебедев B.M. и др., Связь состава пленок a-Si0x:H и интенсивности фотолюминесценции ионов эрбия с изменениями электрического поля в dc-магнетроне // Сборник трудов VI Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». С.-Петербург. 7−9 июля 2008 г.

Санкт-Петербург, Издательство Политехнического университета. 2008. С. 34−35.

45.Ундалов Ю. К., Теруков Е. И.,., Лебедев В. М. и др., Влияние электрического поля при получении пленок a-SiOx :Н<�Ег, 0> методом магнетронного распыления на постоянном токе на их состав и интенсивность фотолюминесценции ионов эрбия, // Физика и техника полупроводников, 2008, № 11, с. 1357−1362.

46.Gusev V.K., Alimov V.Kh., ., Lebedev V.M. et al., Plasma-Wall Interaction in the Open Divertor of Globus-M Spherical Tokamak. // Proc. of 22nd IAEA Fusion Energy Conference (13−18 October 2008, Geneva, Switzerland), EX/P4−10.

47.Gusev V.K., Alimov V.Kh.,. Lebedev V.M. et al., Recrystallized Graphite Utilization as the First Wall Material in Globus-M Spherical Tokamak // Journal of Nuclear Materials. 2009. V. 386−388. P. 708−711.

48.Gusev V.K., Alimov V.Kh., .Lebedev V.M. et al., In-vessel surface layer evolution during plasma-wall interaction in the Globus-M spherical tokamak//Nuclear Fusion, 2009, V. 49. № 9. P. 95 022 (6 pp).

49.Gusev V.K., Aleksandrov S.E., ., Lebedev V.M. et al., Overview of results obtained at the Globus-M Spherical Tokamak //Nucl. Fusion, 2009. V. 49. № 10. P. 104 021 (11 pp).

50.Латухина H.B., Лебедев B.M., Журавель Л. В. и др., Легирование кремния методом диффузии // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2009, № 2. С.13−16.

51 .Kudoyarova V., Kozyukhin S., Lebedev V., Marchenko A., Synthesis and characterization of AsoX3 (X=Se, S)-Eu (THD)3 hybrid materials // Physica Status Solidi, 2010, V. 7. No. 3−4, P.881−884.

Эти работы включены в общий список цитируемой литературы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.