Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 3, стр. 101-104

ВВЕДЕНИЕ

При радиационном воздействии на твердое тело в нем образуются различного рода радиационные дефекты, которые диффундируют по кристаллу и вступают друг с другом в квазихимические реакции в областях регулярной решетки или в областях стоков. В результате этой реакции возникают новые дефекты, вводящие в электронный и фононный спектры новые состояния. Следовательно, квазихимическая стадия реакции кристаллов, проходящей при радиационном воздействии, является исключительно важной. Эти квазихимические реакции изучают различными способами. В последние годы особую роль при исследовании радиационных процессов в твердых телах приобрела комбинация различных методов: электрических, оптических, люминесцентных. Комбинация методов позволяет определять механизмы образования и структуры радиационно-наведенных дефектов в исследуемых кристаллах.

В настоящее время известен ряд работ [1–9], в которых обнаружены осциллирующие зависимости свойств дефектов в неметаллических кристаллах при различных релаксационных процессах, в частности, при изменении температуры отжига или интенсивности облучения кристалла. Так, в [4] исследованы различные характеристики: радиус примесных облаков, выпадающих на макродефектах при нагреве, время жизни носителей тока при отжиге и другие. Было обнаружено сложное поведение этих характеристик, имеют место квазиосциллирующие зависимости при термическом отжиге кристалла.

Авторы [5] исследовали образование зародышей золота на поверхности кристаллов NaCl при облучении ионами аргона. Было обнаружено, что стационарная концентрация зародышей, пропорциональная концентрации образующихся дефектов, зависит от величины потока ионов осциллирующим образом. В [6] исследован кристалл со сложным составом дефектов. Была обнаружена осцилляция постоянной Холла в зависимости от температуры отжига. В данном случае, несомненно, начальную роль играют F-центры, образующиеся при ионном облучении, и “радиационная тряска” поверхности, обусловленная упругими волнами, генерируемыми ионами при ударе о поверхность и распространяющимися вдоль нее. Радиационная тряска увеличивает подвижность адатомов и “стряхивает” их с центров зародышеобразования (F-, M-, R-центры). Суть эффекта состоит именно в реализации не одного, а нескольких отчетливых пиков. Поэтому идея трофической цепи дефектов оказывается естественной базой для теоретического анализа этого эффекта. Таким образом, существует осцилляция свойств твердых тел в зависимости от температуры и интенсивности облучения. Эти экспериментальные результаты исследователи разделяют на два класса: когда осцилляция наблюдается во времени [3, 7, 10, 11] и когда периодичность выявляется в результате получения некой энергии извне, т.е. в результате “возбуждения” кристалла [3, 5, 12]. Ранее [1, 7] изучена концепция трофической цепи дефектов с учетом ионных процессов, происходящих в твердом теле.

В настоящей работе проводится теоретический анализ результатов экспериментального исследования образования и распада нейтральных комплексных дефектов в кристаллах KCl–Ag с различной концентрацией серебра на основе введенного в физику дефектов представления о трофических цепях дефектов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Проведено исследование температурной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь для кристаллов KCl–Ag с различной концентрацией серебра на разных частотах: 0.1, 1 и 10 кГц. Сравнение температурных зависимостей относительных диэлектрических потерь при разных частотах показывает, что различные нейтральные комплексы дефектов, обусловливающие диэлектрические потери, образуются и разрушаются при различных температурах. Поэтому можно предположить, что релаксационные потери при соответствующих частотах обусловлены различными типами релаксаторов. Например, при частоте f = 0.1 кГц относительные диэлектрические потери могут быть обусловлены релаксаторами I типа, при 1 кГц – II типа и при 10 кГц – III типа.

Рассмотрим влияние примеси серебра и его концентрации на температурную зависимость относительной концентрации релаксаторов определенного типа в кристаллах KCl–Ag, подверженных воздействию рентгеновского излучения. На рис. 1 приведены соответствующие данные для релаксаторов I типа (при 0.1 кГц). Как видно из [13] и полученных данных, введение примеси и увеличение ее концентрации влияет определенным образом на температурную зависимость концентрации релаксаторов. В интервале 300–360 К с увеличением концентрации примеси возрастает концентрация релаксаторов I типа, в интервале 360–420 К она уменьшается, затем снова возрастает.

Аналогичные результаты получены и для релаксаторов II и III типов. Например, рассмотрим влияние примеси на температурную зависимость концентрации релаксаторов II типа (при 1 кГц). Введение примеси и увеличение ее концентрации приводит к возрастанию и уменьшению концентрации релаксаторов. В случае релаксаторов III типа (при 10 кГц) после введения примеси концентрация релаксаторов возрастает и достигает максимума при Т = 330 К. Затем концентрация уменьшается в интервале 330–390 К, и дальнейшее повышение температуры до 500 К приводит к ее возрастанию.

Из вышеприведенных экспериментальных данных следует, что температурная зависимость относительной концентрации нейтральных комплексов носит сложный характер. Однако можно заметить некое квазиосциллирующее поведение этой зависимости. Таким образом, по мере возбуждения среды, с ростом температуры происходит осцилляция свойств кристалла.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Рассмотрим следующую цепь рассуждений, ориентируясь, для конкретности, на такое понятие как радиус взаимодействия дефектов. Пусть в кристалле имеются подвижные дефекты, в частности примеси, которые при достижении температуры Т₁ могут входить в некоторую квазихимическую реакцию, в результате которой начинают образовываться взаимодействующие дефекты. Радиус этих взаимодействий (R) будет пропорционален некоторой степени концентрации свободных подвижных дефектов:

Показатель степени γ зависит от геометрии радиуса взаимодействующих дефектов и порядка реакции выпадения. Повысим температуру кристалла до Т₂. Пусть в кристалле появляются подвижные дефекты типа А₂, эффективно взаимодействующие с примесями А₁, и создаются комплексы [А₁, А₂], которые не могут участвовать в образовании нейтральных комплексов: ${{А}_{1}} + {{А}_{2}}$ → → $\left[ {{{А}_{1}},{{А}_{2}}} \right].$

Естественно, в этом случае концентрация свободных примесей А₁ уменьшится, т.е. уменьшится и радиус взаимодействия дефектов. Повысим снова температуру кристалла до Т₃. Пусть при этой температуре появляются подвижные дефекты типа А₃, которые эффективно взаимодействуют с дефектами А₂ по реакции: ${{А}_{2}} + {{А}_{3}}$ → $\left[ {{{А}_{2}},{{А}_{3}}} \right].$

В результате образуются комплексы $\left[ {{{А}_{2}},{{А}_{3}}} \right],$ которые не могут взаимодействовать ни с А₁, ни с А₂. С понижением концентрации свободных дефектов А₂ возрастает концентрация А₁, а, следовательно, и радиус R. При дальнейшем повышении температуры Т₄ появятся дефекты А₄, взаимодействующие с А₃ по реакции: ${{А}_{3}} + {{А}_{4}}$ → $\left[ {{{А}_{3}},{{А}_{4}}} \right].$

После реализации всех реакций уменьшится радиус R. При дальнейшем росте температуры взаимодействующая цепь дефектов, получивших название “трофической цепи дефектов” в силу того, что между каждым последующим их типом и предыдущим устанавливаются взаимосвязи, будет удлиняться, вызывая осцилляции исследуемого свойства кристалла. Математически эволюцию всей системы дефектов можно описать системой дифференциальных уравнений:

То, что дефекты каждого типа генерируются из последовательной трофической цепи при более высокой температуре, означает следущее: вид решения системы уравнений существенно зависит от того, имеется ли независимый сток для каждого из типов дефектов, т.е. пристутствуют ли в уравнениях члены типа ${{{{N}_{j}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{N}_{j}}} {{{\tau }_{j}}}}} \right. \kern-0em} {{{\tau }_{j}}}}.$ Наиболее простым, по крайне мере, важным вариантом решений будет случай, когда этими стоками можно пренебречь: ${1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {{{\tau }_{j}}}}} \right. \kern-0em} {{{\tau }_{j}}}} \to 0.$ Тогда в случае стационарного режима, когда успевает установиться кинетическое равновесие по всем компонентам трофической цепи дефектов, получим: Остановимся на дефектах типа А, т.е. данная запись и все решения справедливы вплоть до температуры Т_М, но не выше, иначе пришлось бы увеличить число уравнений в системе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из вышеизложенных данных можно сделать следующее заключение. Различные нейтральные комплексы дефектов, обусловливающие диэлектрические потери на различных частотах внешнeго поля, обусловленных различными релаксаторами, образуются и разрушаются в различных интервалах температур. Температурная зависимость относительной концентрации нейтральных комплексов носит сложный, квазиосциллирующий характер. Представлено теоретическое обоснование процесса образования и распада нейтральных комплексных дефектов, основанное на представлении о трофической цепи дефектов. Предложено математическое уравнение для радиуса взаимодействия дефектов в зависимости от температуры, качественно объясняющее осциллирующие свойства дефектов.