Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2019, № 4, стр. 44-52

ВВЕДЕНИЕ

Исследования ионно-лучевого модифицирования алмаза и алмазоподобных материалов продолжаются уже более 50 лет [1–14]. Они актуальны для различных технологических применений, включая создание высокотемпературных сверхпроводников и разработку квантовых информационных устройств. Особенность облучения алмаза, в котором атомы углерода связаны между собой ковалентными sp³-связями, ионами с энергией десятки кэВ, в отличие от других ковалентных кристаллов (в частности германия и кремния), связана с его метастабильностью. В вакууме при температурах выше 1000°С происходит графитизация алмаза и изменяется тип гибридизации орбиталей атомов углерода: sp³ → sp² [15]. При ионном облучении графитизация может происходить практически при любых температурах [2, 3]. Радиационные нарушения в алмазе, облученном при комнатной и более низких температурах, отжигаются лишь при флуенсах, не превышающих критическое значение. При флуенсах облучения выше флуенса графитизации ~10¹⁶ см^–2 отжиг приводит к формированию графитоподобных проводящих структур ионно-модифицированного слоя.

Для алмазов выделяют три температурных режима облучения, связанных с различием в подвижности точечных дефектов, создаваемых в каскаде повреждений при торможении бомбардирующих ионов [2, 3]. Считается, что при температурах выше 500°С как вакансии, так и смещенные межузельные атомы подвижны. В промежуточной области температур подвижными являются только межузельные атомы, и, наконец, при температуре ниже комнатной и те, и другие дефекты практически не мигрируют в кристалле. Эти режимы отчетливо проявляются на зависимостях слоевого сопротивления облученного алмаза [2, 7, 11–14, 16, 17]. В частности, высокодозное облучение (Ф > 10¹⁸ см^–2) моно- и поликристаллических алмазов ионами азота, неона, аргона и углерода с энергией от 10 до 30 кэВ, проведенное ранее [11–14], показало, что стационарная проводимость модифицированного слоя алмаза проявляет сложную зависимость от температуры облучения. Так, удельное сопротивление слоя, соответствующее трехмерно упорядоченным гексагональным графитам, наблюдается при промежуточных температурах облучаемого алмаза Т_ir от ~200 до 500°С. С уменьшением температуры при Т_ir < 200°С происходит разупорядочение исходной структуры алмаза и наблюдается экспоненциальный рост электросопротивления модифицированного слоя. При температурах выше 500°С после облучения ионами инертных газов и углерода наблюдался рост сопротивления модифицированного слоя.

Большинство экспериментов по ионному облучению выполнено при низких температурах с последующими процедурами отжига с целью разработки методики ионного легирования алмазов [2, 3]. Известно, что термический и динамический отжиг, т.е. отжиг в процессе облучения при повышенных температурах, приводят к сильно различающимся структурам облученного слоя как в полупроводниках, так и в металлах [3, 18–20]. В последнее время проявляется интерес к облучению в условиях динамического отжига радиационных нарушений при промежуточных и повышенных температурах [7, 11–14, 21]. Он обусловлен в частности тем, что при облучении кристаллов алмаза ионами углерода со средними и высокими флуенсами динамический отжиг при повышенных температурах, когда вакансии и смещенные межузельные атомы подвижны, приводит к рекристаллизации алмазной фазы – монокристаллической при энергии ионов 10–30 кэВ [1, 22] и поликристаллической при энергии около 100 кэВ [22]. Такой эффект динамического отжига предсказывали и для других ионов, исходя из описываемых моделей и механизмов, экспериментально наблюдаемых закономерностей ионно-лучевого модифицирования алмаза при низких и промежуточных температурах [3]. Однако результаты работ [11–14], посвященных закономерностям графитизации алмаза при облучении ионами углерода и ионами инертных газов неона и аргона и азота с энергией 10–30 кэВ, дают основания предполагать, что динамический отжиг при температурах выше 500°С приводит к рекристаллизации алмазной фазы только в случае облучения ионами углерода, т.е. при облучении собственными ионами, а облучение примесными ионами приводит к графитизации ионно-модифицированного слоя алмаза. В этой связи в настоящей работе проведены сравнительные исследования структуры и свойств ионно-модифицированных слоев алмазов с использованием методов дифракции быстрых электронов на отражение, спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Основное внимание уделено исследованию модифицированного слоя алмаза после ионного облучения при температурах выше 500°С.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Для исследований использовали образцы синтетических алмазов (поликристаллического и монокристалла типа Ib с поверхностью, соответствующей грани (111)), облученные ионами С⁺, Ar⁺, Ne⁺, молекулярного ${\text{N}}_{{\text{2}}}^{ + }$ и атомарного N⁺ азота с энергией 30 кэВ при температурах от комнатной до 720°С [14]. Ионное облучение проводилось по нормали к поверхности образцов на масс-монохроматоре НИИЯФ МГУ [23]. Плотность ионного тока составляла около 0.2–0.3 мА/см² при площади поперечного сечения пучка 0.3 см². Для сравнительных структурных исследований динамического отжига при повышенных температурах были выбраны образцы, облученные при температуре 650°С. Согласно [1] эта температура приходится на середину интервала, в котором происходит рекристаллизация алмаза и рост его толщины. Условия облучения образцов при температуре 650°С, использованных в сравнительных структурных исследованиях, сведены в табл. 1 Сравнение проводили также и для других температур облучения алмазов. Использовали образцы как поликристаллического, так и монокристаллического алмазов. Монокристаллы были необходимыми для исследования структуры.

Структурные исследования проводили с помощью методов дифракции быстрых электронов на отражение (электронограф ЭМР-102), РФЭС (спектрометр Quantera SXI) и КРС (спектрометр Horiba Yvon T64000). Электрические измерения выполняли четырехзондовым методом при комнатной температуре, определяя слоевое сопротивление R_s аналогично [11–14]. В методе РФЭС использовали монохроматическое AlK_α-излучение мощностью 25 Вт. Область анализа составляла 100 мкм². Остаточное давление в камере спектрометра не превышало 10^–7 Па. Спектры измеряли при энергии пропускания 69 эВ и шаге сканирования 0.125 эВ. Для возбуждения комбинационного рассеяния использовали лазерное излучение на длинах волн 488 и 514 нм.

В табл. 1 приведены также рассчитанные в [14] уровни первичных радиационных нарушений ν в единицах смещений на атом (сна) для выбранных облученных образцов и толщины t модифицированного слоя. Они необходимы для сопоставления результатов исследований модифицированного слоя алмаза после облучения различными ионами с различной энергией [19]. При ионном облучении ν = Фσ_dam, где σ_dam – сечение дефектообразования, а флуенс Ф = φτ равен произведению плотности потока ионов φ на время облучения τ. Величина σ_dam определена с помощью компьютерного моделирования взаимодействия ионов с веществом с использованием программы SRIM [25]. Пропорциональность уровня радиационных нарушений ν флуенсу Ф облучения имеет место только при не слишком больших Ф. При высоких флуенсах ионного облучения факторами, ограничивающими концентрацию имплантируемых примесей и дефектов, является эрозия или рост поверхности. Их учет приводит к не зависящему от флуенса облучения стационарному профилю радиационных нарушений ν_st(х):

Оценка толщины t модифицированного поверхностного слоя, используемая для оценки его удельного сопротивления ρ = R_st, проведена по расчетным профилям ν_st(х). Величину t определяли по уровню 10 сна, учитывая, что стационарный уровень проводимости в облученных алмазах достигается при флуенсах, не превышающих 10¹⁷ см^–2, когда соответствующий уровень ν не превышает величину порядка десятков сна.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Проводимость ионно-модифицированных слоев. Измерения проводимости или электросопротивления в зависимости от температуры облучения или отжига часто используют для определения характеристик и свойств ионно-модифицированных слоев на поверхности алмазов. Так, например, определение интервала температур ионно-стимулированной графитизации алмаза основано в [14] на анализе зависимостей электросопротивления поверхностного слоя от температуры облучаемого алмаза. Показано, что в интервале 200–500°С сопротивление модифицированного слоя минимально и по удельному сопротивлению соответствует графитам. За пределами этого интервала сопротивление возрастает. Повышенные сопротивления могут быть связаны с различной структурой sp²-углерода с различной термической стабильностью. В частности, разупорядоченное в процессе ионного облучения при комнатной температуре состояние алмаза является термически нестойким, его сопротивление экспоненциально уменьшается с температурой отжига до уровня графитов при температуре 500–700°С [7, 12, 13, 16, 26]. В настоящей работе сравнительный анализ термической стойкости модифицированных слоев с повышенными сопротивлениями провели после облучения алмаза ионами углерода при комнатной и повышенной (650°С) температурах.

На рис. 1 приведены измеренные при комнатной температуре (20°С) слоевые сопротивления алмаза R_s после облучения ионами углерода при температурах Т_ir = 50, 250 и 650°С с флуенсами 0.8 × 10¹⁸, 10¹⁸ и 1.3 × 10¹⁸ см^–2 соответственно. Минимальное значение R_s имеет слой после облучения при температуре 250°С, соответствующей интервалу ионно-индуцированной графитизации алмаза. Как после облучения при комнатной температуре, приводящего к формированию разупорядоченного слоя, так и после облучения при температуре 650°С слоевое сопротивление алмаза на два–три порядка величины выше значений R_s графитизированного слоя. Образцы, облученные при Т_ir = 50 и 650°С, подвергали изохронному отжигу с термоциклированием в вакууме и часовым выдерживанием при максимальной температуре цикла Т_ht, последовательно увеличиваемой от 100 до 600–700°С. Из зависимости R_s от температуры Т_ht видно, что отжиг слабо влияет на сопротивление слоя, облученного при 650°С, по сравнению с воздействием отжига на слой, образующийся при облучении при комнатной температуре. Его сопротивление R_s экспоненциально, на четыре порядка величины падает до значений R_s графитизированного слоя, формирующегося при Т_ir = 250°С. Слоевое сопротивление образца, облученного при температуре 650°С, уменьшается при отжиге не более чем в 2 раза и более чем в 100 раз превышает R_s при Т_ir = 250°С. Таким образом, динамически переупорядоченная проводящая структура на поверхности алмаза при 650°С проявляет относительно высокую термическую стойкость. Термостабильность показали также образцы, облученные ионами неона и аргона, при температурах выше температуры ионно-стимулированной графитизации (200°С и более). Отметим, что описанное различие температурных зависимостей на рис. 1 наглядно отражает отмеченное выше различие результатов термического и динамического отжигов в процессе облучения при повышенных температурах.

Рис. 1.

Зависимости слоевого сопротивления R_s от температуры изохронного отжига T образцов поликристаллического алмаза после облучения ионами C⁺ при различных температурах облучения (отмечено пунктиром) T_ir: 50 (1); 250 (2); 650°С (3).

Структура модифицированных слоев. Для исследования структуры термически стойких модифицированных слоев, образующихся при динамическом отжиге в процессе облучения при температурах 500–700°С, использовали методы дифракции быстрых электронов, РФЭС и КРС.

На рис. 2 приведены для сравнения картины дифракции быстрых электронов на поверхности грани (111) синтетического алмаза после облучения ионами С⁺ и Ne⁺ с энергией 30 кэВ при температуре 650°С. На рисунке приведены также соответствующие спектры КРС при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 488 нм. Видно, что картины дифракции для выбранных случаев облучения кардинально различаются. Картина на рис. 2а соответствует дифракции электронов на кристаллической грани (111) кубического кристалла. Она свидетельствует о том, что динамический отжиг радиационных нарушений в растущем слое при облучении ионами углерода не нарушает исходную кристалличность алмаза. Заметно размытые точечные рефлексы говорят о мозаичности синтезированных кристаллитов алмаза [1]. Картина дифракции на поверхности алмаза после облучения ионами неона совсем другая (рис. 2б). Она представляет три размытых кольца, соответствующих кольцам на картине дифракции в поликристаллическом графите (рис. 2в). Размытость колец обычно связывают с недостаточно большими для образования контрастных колец размерами кристаллитов графита. Об этом же, а именно об образовании нанографита, свидетельствуют данные КРС, которые отражают и дополняют описанные ионно-индуцированные структуры. В спектре алмаза, облученного ионами углерода, доминирует острый пик при смещении Δk = 1333 см^–1 (рис. 2г). О наличии графитоподобного поверхностного слоя после облучения алмаза ионами неона говорят характерные D- и G-полосы в спектре КРС (рис. 2д). Из рис. 2е видно, что максимум G-полосы в спектре облученного алмаза смещен в сторону высоких частот по сравнению с положением G-пика в спектре поликристаллического графита. Такое смещение связывают с образованием нанографитовой фазы [27].

Рис. 2.

Картины дифракции быстрых электронов (а–в) и спектры КРС (г–е): после облучения ионами углерода (а, г) и неона (б, д) с энергией 30 кэВ грани (111) синтетического алмаза при температуре 650°С; поликристаллического графита МПГ-8 (в, е) для сравнения: алмаз (1), МПГ-8 (2). Длина волны возбуждения КРС 488 нм. Для визуального сопоставления спектры смещены по шкале ординат.

Для сравнения структур поверхности проводящего слоя после облучения алмаза ионами углерода и неона использовали метод РФЭС. На рис. 3, 4 представлены результаты исследования поверхности облученных и необлученных образцов алмаза в виде зависимостей интенсивности вторичных электронов от энергии связи hν – E_кин, где энергия фотонов AlK_α-излучения hν = 1487 эВ, E_кин – кинетическая энергия прошедших энергоанализатор электронов. Для сравнения использовали также высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ). Обзорные спектры (кроме углерода) показали на поверхности до 2 ат. % примеси адсорбированного кислорода. Сравнительный анализ спектров РФЭС проводили в области значений энергии оже-перехода KVV углерода (рис. 3) и фотоэлектронной линии С1s (рис. 4). Толщина анализируемого слоя при РФЭС определяется глубиной выхода вторичных электронов и составляет около 2 нм [28].

Рис. 3.

Сравнение оже-спектров CKVV необлученного поликристаллического алмаза (1) и облученного ионами С⁺ (2) и Ne⁺ (3) с энергией 30 кэВ при 650 (2) и 720°C (3).

Рис. 4.

Спектры С1s поликристаллического алмаза (1), ВОПГ (2) и поликристаллического алмаза, облученного ионами С⁺ (3) и Ne⁺ (4) с энергией 30 кэВ при 650 (3) и 720°C (4).

Оже-спектры перехода KVV углерода для алмаза, облученного ионами углерода и неона, практически не отличаются друг от друга и смещены в область более высоких значений энергии связи по сравнению со спектром необлученного алмаза. Это обусловлено тем, что атомы углерода в облученном алмазе (как ионами углерода, так и ионами неона) характеризуются sp²-связями, а в алмазе – sp³-связями [29]. Нормированные по высоте пика спектры фотоэлектронов С1s для всех используемых материалов, включая ВОПГ, различаются мало. Однако в области больших значений энергии связи в спектрах облученных алмазов проявляется характерный для графитов плазмонный π-пик, отсутствующий в спектре алмаза [30]. Схожесть спектров алмаза, облученного ионами углерода и неона, со спектром ВОПГ говорит о 100%-ной sp²-гибридизации орбиталей атомов углерода в графитоподобном слое на поверхности облученных алмазов.

Толщина и свойства графитоподобного слоя. Оценить толщину графитоподобного слоя t_g на поверхности облученных алмазов можно по величине слоевого сопротивления R_s, если известно удельное сопротивление ρ = R_st_g. Для оценки взято значение 2 × 10^–3 Ом ⋅ см, соответствующее всем рассматриваемым случаям облучения алмаза в интервале температур ионно-стимулированной графитизации от 200 до 500°С [12–14, 26]. Тогда оценка толщины графитоподобного слоя t_g, образующегося при облучении ионами С⁺ при Т_ir = 650°С по величине слоевого сопротивления 30–40 кОм (табл. 1), дает значения 0.5–0.7 нм при толщине модифицированного слоя t = 84 нм.

Предположим, что к повышенным сопротивлениям при облучении ионами аргона и неона при температурах алмаза 500–700°С приводит рекристаллизация алмаза с образованием поверхностного графитоподобного слоя толщиной t_g < t, как в случае облучения ионами углерода. Тогда оценка его толщины при облучении ионами Ne⁺ при Т_ir = 650°С по величине экспериментально измеренного слоевого сопротивления 930 Ом (табл. 1) дает значения t_g ≈ 20 нм при t = 75 нм. Аналогичная оценка в случае облучения ионами Ar⁺ при 650°С дает такое же значение t_g ≈ 20 нм при t = 40 нм.

Оцененные таким образом толщины t_g согласуются с наблюдаемыми картинами дифракции быстрых электронов и данными РФЭС. После облучения ионами С⁺ графитоподобный слой достаточно тонкий (толщина 0.5–0.7 нм), чтобы влиять на картину дифракции в кристалле алмаза, с одной стороны, и соответствует информационной глубине метода РФЭС (не больше 2 нм), с другой стороны. При облучении алмаза ионами инертных газов графитоподобный слой на порядок величины толще и сопоставим с полной толщиной t модифицированного слоя. Это не сказывается на данных РФЭС, а картины дифракции быстрых электронов соответствуют уже дифракции электронов в графите. Однако предположение о том, что ионно-стимулированная графитизация при повышенных температурах облучения 500–700°С происходит так же, как и в интервале промежуточных температур 200–500°С, с образованием, в частности, слоя с тем же удельным сопротивлением 2 × 10^–3 Ом · см, противоречит данным КРС в интервале температур облучения 500–700°С. Это следует из сравнения спектров КРС алмазов, облученных ионами аргона и неона (рис. 5). Из-за частичной прозрачности графитоподобного слоя в обоих спектрах наблюдается пик алмаза при смещении Δk = 1333 см^–1. В рамках сделанных выше оценок толщины поглощающего свет графитоподобного слоя (около 20 нм как для неона, так для аргона) интенсивность КРС на алмазной фазе при Δk = 1333 см^–1 должна быть в случае неона и аргона одинаковой. Однако сравнение спектров КРС показывает, что относительная интенсивность пика алмаза (по отношению к интенсивнсти D- и G-пиков) в случае облучения ионами аргона на порядок больше, чем при облучении ионами неона. Такое большое различие может быть обусловлено только различающейся в разы толщиной поверхностного поглощающего свет слоя, каким является ионно-индуцированный слой алмаза. Именно в 2 раза отличаются, согласно данным табл. 1, толщины модифицированных слоев в рассматриваемых условиях облучения: t = 75 и 40 нм при облучении ионами неона и аргона соответственно. Таким образом, сравнение спектров КРС говорит о том, что модифицированные ионами инертных газов слои являются графитоподобными по всей глубине. А их повышенное слоевое сопротивление обусловлено повышенным удельным сопротивлением ионно-индуцированной нанографитовой фазы, о присутствии которой свидетельствуют смещение G-пика в спектрах КРС и размытость колец на картинах дифракции быстрых электронов по сравнению с контрастными кольцами, наблюдаемыми при ионно-стимулированной графитизации при температурах 200–500°С [14].

Рис. 5.

Спектры КРС образцов поликристаллического алмаза после облучения ионами Ar⁺ (1) и Ne⁺ (2) с энергией 30 кэВ при температуре 720°С. Для визуального сопоставления спектры смещены по шкале ординат.

Относительная интенсивность пика алмаза в спектрах КРС при смещении Δk = 1333 см^–1 отражает не только различия в толщине графитоподобных слоев, но и различия в их прозрачности при термическом и динамическом отжигах. Так, приведенные на рис. 6 спектры КРС отражают изменение прозрачности при термическом отжиге в вакууме слоя, разупорядоченного в процессе ионного облучения при температуре 50°С. После облучения модифицированный слой достаточно прозрачный, и КРС происходит не только на нем, но и на поверхности исходного алмаза. После изохронного отжига при температуре 700°С графитоподобный слой становится менее прозрачным, пик алмаза в спектре КРС не проявляется.

Рис. 6.

Спектры КРС образцов поликристаллического алмаза после облучения ионами С⁺ с энергией 30 кэВ при температуре 50°С (1) и после термообработки при 700°С (2). Для визуального сопоставления спектры смещены по шкале ординат.

При одной и той же (согласно табл. 1) толщине модифицированного слоя относительная интенсивность пика алмаза (по отношению к интенсивности G-пика) при облучении ионами ${\text{N}}_{{\text{2}}}^{ + }$ в 4 раза меньше, чем в случае ионов Ar⁺ (рис. 7). Это может быть обусловлено увеличением коэффициента поглощения света графитовым слоем при динамическом отжиге в процессе облучения при температуре 720°С ионами азота по сравнению с поглощением нанографитовым слоем после облучения алмаза ионами аргона. Из рис. 7 видно также, что относительная интенсивность пика алмаза (по отношению к интенсивности G-пика) после облучения ионами N⁺ на порядок величины (в 13 раз) меньше, чем после облучения ионами ${\text{N}}_{{\text{2}}}^{ + }.$ Такое уменьшение соответствует экспоненциальному поглощению света при почти двукратном увеличении толщины поглощающего свет слоя: 85 нм после облучения ионами N⁺ и 46 нм после облучения ионами ${\text{N}}_{{\text{2}}}^{ + }.$

Рис. 7.

Спектры КРС образцов поликристаллического алмаза после облучения ионами Ar⁺ (1), ${\text{N}}_{{\text{2}}}^{ + }$ (2) и N⁺ (3) с энергией 30 кэВ при температурах 720, 700 и 660°С соответственно. Для визуального сопоставления спектры смещены по шкале ординат.

Формирование нанографитовой фазы при облучении ионами неона и аргона начинается с температур около 500°С. Ее удельное сопротивление в интервале температур от 500 до 700°С растет с температурой облучения (рис. 2 в [14]), причем для ионов неона в большей степени, чем для ионов аргона. Можно предположить, что это связано с бόльшим для неона уровнем радиационных нарушений 372 сна, чем для аргона 195 сна (табл. 1). Что касается удельного сопротивления графитоподобного слоя на алмазе после облучения ионами углерода при температуре 650°С, то оно, по-видимому, не превышает значений, типичных для графитов и стеклоуглеродов (1–4) × 10^–3 Ом · см.

Полученные данные о толщине, структуре и проводимости ионно-модифицированных слоев алмазов при динамическом отжиге в процессе облучения при температуре 650°С обобщены в вышеприведенной табл. 1 вместе с остальными характеристиками ионного облучения. Во всех случаях, кроме облучения ионами углерода, модифицированный слой близок к однородному и представляет собой либо поликристаллический графит (Gr), либо нанокристаллический графит (nc-Gr). Только облучение ионами углерода приводит к росту и рекристаллизации алмаза с тонким, ~1 нм, графитоподобным слоем на поверхности (1 нм Gr-GC + + 144 нм D_моно). Рост поверхности происходит за счет имплантированного углерода, поскольку коэффициент распыления Y алмаза ионами углерода с энергией 30 кэВ меньше единицы [1]. Для учета роста поверхности при облучении ионами углерода к толщине слоя t, полученного из профилей ν_st(х), добавлена толщина слоя имплантированного углерода. При флуенсе облучения 1.3 × 10¹⁸ см^–2 рост поверхности алмаза составляет 60 нм. С учетом глубины радиационных нарушений 84 нм общая толщина модифицированного слоя алмаза t увеличивается до 144 нм.

Следует отметить, что динамический отжиг может приводить к рекристаллизации алмазной фазы не только при облучении ионами углерода, как это происходит при энергии ионов несколько кэВ, но и при облучении примесными ионами с энергией несколько МэВ, приводящем к формированию более глубокого модифицированного слоя. Это продемонстрировано недавно в [21] при имплантации бора с энергией 5 МэВ при температуре облучаемого алмаза 600°С. Предполагается, что рекристаллизация алмаза в более глубоком слое происходит вследствие высокого ионно-индуцированного давления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментально исследованы структура и свойства поверхностного слоя алмаза после высокодозного облучения ионами Ar⁺, Ne⁺, N⁺, ${\text{N}}_{{\text{2}}}^{ + }$ и C⁺ с энергией 30 кэВ при повышенных температурах.

Сравнительные исследования показали, что динамический отжиг в процессе облучения при температурах выше 500°С приводит к рекристаллизации алмазной фазы только в случае ионов углерода, т.е. при облучении собственными ионами, а облучение примесными ионами приводит к графитизации ионно-модифицированного слоя алмаза.

В случае ионов инертных газов по данным спектроскопии комбинационного рассеяния и дифракции отраженных быстрых электронов образуется модифицированный слой с нанографитовой структурой, в случае ионов углерода происходит рост и рекристаллизация фазы алмаза с тонким, ~1 нм, графитоподобным слоем на поверхности, в случае ионов азота графитовый слой наблюдается вплоть до 720°С. Графитоподобные слои на поверхности алмазов при динамическом отжиге термостабильны и по данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопия состоят из sp²-углерода.

Спектроскопия комбинационного рассеяния видимого света показывает коррелирующую с удельными сопротивлениями различную оптическую прозрачность ионно-индуцированных структур на поверхности алмаза. Разупорядоченная в процессе ионного облучения структура алмаза при комнатной температуре и нанографитовая структура являются более прозрачными, чем графитизированная структура.