Кристаллография, 2021, T. 66, № 6, стр. 877-879

ВВЕДЕНИЕ

Процессы, происходящие в твердом теле под воздействием ультракороткого лазерного излучения, вызывают большой интерес в физическом материаловедении и являются важной областью физики конденсированного состояния.

Применение интенсивного лазерного излучения ультракороткой длительности для формирования определенных профилей распределения как примесей, так и базовых элементов полупроводниковой матрицы показано в [1]. Использование фемтосекундного лазерного излучения позволило модифицировать поверхность и повысить ее твердость за счет создания неравновесных условий рекристаллизации с образованием метастабильных нанокристаллических фаз [2].

В результате воздействия высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения в веществе, в частности в кремнии, генрируются ударные волны, которые могут инициировать фазовые превращения с образованием метастабильных фаз [3]. Однако механизм их формирования до сих пор мало изучен. Как правило, такие структурные превращения наблюдались при приложении высокого давления в алмазных наковальнях [4–6], в [7] была прослежена структурная динамика фазовых переходов в кремнии. В [8] представлены результаты наблюдения фазовых превращений в результате импульсной ударной бомбардировки поверхности кристаллов кремния через медную пластину пневмоснарядами диаметром 30 мм. Отметим, что в [9] методами электронной микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света было показано образование в Si (пр. гр. $Fd\bar {3}m$) полиморфных кристаллических структур при воздействии фемтосекундным лазерым излучением, а в [10] описаны параметры лазерного воздействия, необходимые для возникновения ряда фазовых переходов в кремнии.

Цель настоящей работы – обнаружение структурных изменений в кремнии под воздействием фемтосекундного лазерного импульса с использованием метода высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии.

ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ

Приведены результаты исследования двух образцов Si-I (111) (пр. гр. $Fd\bar {3}m$), облученных ультракороткими лазерными импульсами ИК-диапазона с центральной длиной волны λ = 1240 нм, длительностью каждого импульса ~100 фс. Диаметр перетяжки лазерного пучка составлял ~10 мкм. Облучение поверхности проводилось при нормальном падении излучения на кристалл. Энергия воздействующих лазерных импульсов для образца 1 составляла 790 мкДж, что с учетом фемтосекундной длительности импульса создает условия для инициирования фазовых переходов [10]. Образец 2 был облучен при использовании энергии лазерных импульсов 16 мкДж, что заведомо меньше требуемого значения энергии импульса для создания порогового значения давления.

Образцы были исследованы методом высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии (HRXRD) с использованием синхротронного излучения (СИ) (E = 12 кэВ) на станции “Фаза” Курчатовского источника синхротронного излучения “КИСИ-Курчатов” в фокусирующей моде с применением фокусирующих зеркал и изгибного монохроматора Si(111) как в режиме θ–2θ-сканирования, так и при сканировании детектором при скользящем угле падения (2°) излучения (GI XRD).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Кривые дифракционного отражения (КДО) показали хорошее кристаллическое качество необлученной части исследуемых образцов кремния и отсутствие в них дополнительных включений.

Измеренные КДО от облученной области обоих исследованных образцов в режиме θ–2θ-сканировании в угловом диапазоне между пиками Si(111) и Si(333) представлены на рис. 1, а на рис. 2 показаны результаты сканирования детектором при скользящем угле падения СИ.

Рис. 1.

КДО от исследуемых образцов. Верхняя кривая соответствует образцу 1, нижняя – образцу 2. Дополнительные пики при q_z ≈ 3.3 и q_z ≈ 3.85 Å^–1 изображены на вставках.

Рис. 2.

КДО в скользящем падении. Верхняя кривая соответствует образцу 1, нижняя – образцу 2. Стрелками указаны пики от метастабильных фаз кремния.

На КДО образца 1 (рис. 1) видно, что дифракционный пик при q_z ∼ 4 Å^–1 соответствует отражению Si-I (222). Кроме того, на КДО от образца 1 присутствуют несколько дополнительных дифракционных пиков (указаны стрелками) при q_z ∼ 3.3 и q_z ∼ 3.85 Å^–1, отсутствующих на кривой от образца 2. Отметим, что наличие этих пиков не зависит от азимутального положения исследуемого образца, что в первую очередь свидетельствует об их поликристаллическом происхождении. При этом данным волновым векторам не соответствуют узлы обратной решетки Si-I, следовательно, они могут быть идентифицированы как отражения (222) и (400) поликристаллической метастабильной фазы Si-III (пр. гр. $Ia\bar {3}$). По формуле Шеррера [11] можно оценить средние размеры кристаллитов фазы Si-III, приблизительно равные 98 ± 15 нм.

Аналогичные результаты были получены при сканировании детектором в условиях скользящего падения СИ (рис. 2). На полученных кривых для образца 1 также наблюдаются дифракционные пики при q_z ∼ 3.3 и q_z ∼ 3.85 Å^–1. При сканировании детектором удалось зафиксировать пик при q_z ∼ 4.65 Å^–1, который соответствует отражению (224) той же метастабильной фазы Si-III. Его наличие не зависит от азимутального положения, что подтверждает поликристаллический характер образовавшейся фазы Si-III.

Отметим, что никаких дополнительных дифракционных пиков на КДО, а следовательно, структурных фаз, отличных от Si-I, для образца 2 не наблюдается в обеих геометриях эксперимента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методами рентгеновской диагностики показано образование метастабильной фазы Si-III (пр. гр. $Ia\bar {3}$) под действием ударных волн, возникающих в Si-I при облучении фемтосекундным лазерным импульсом с энергией 790 мкДж. В то время как для образца, облученного фемтосекундным импульсом с энергией 16 мкДж, образования дополнительных фаз не наблюдалось. Вероятно, условия облучения образца 2 недостаточны для образования метастабильных фаз в кремнии.

Возможность управления фазовым составом твердого тела с помощью фемтосекундного лазерного излучения может найти широкое применение в аддитивных технологиях.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 18-02-40018, 21-32-70021).