氧化锌质子辐照效应的SRIM模拟研究

王旭东,程 远,孟惠民,俞宏英,樊自拴,顾鹏飞

(北京科技大学材料科学与工程学院,北京,100083)

氧化锌是一种直接宽禁带半导体材料,通常为六角晶系纤锌矿结构,室温带隙宽度为3.37 eV,自由激子束缚能为60 meV,它在化工、信息存储、全色显示、光通讯、节能白光照明等领域具有广阔的应用前景。在外空间应用上,Look等[1-3]研究发现氧化锌的抗位移辐照损伤性能优于Si、GaAs、CdS、GaN等其他半导体材料,可作为航天器材料或器件在外空间辐照环境下使用。近年来,针对氧化锌的电子辐照损伤国外开展了大量的工作,研究主要集中在高能电子辐照导致的位移损伤上,并发现了辐照诱发的氧空位(VO)[4]、锌空位(VZn)[5-6]、间隙锌(Zni)[1]和Frenkel pairs[1]等点缺陷。实际上,质子的静止质量约为电子的1 836倍,氧化锌的质子辐照损伤更大[2,7]。电子、质子是外空间中主要的带电粒子,研究氧化锌的电子、质子辐照损伤效应和机制对氧化锌的空间应用具有重要的指导意义。为此,本文利用SRIM软件,模拟氧化锌的质子辐照过程,计算质子在氧化锌中的能量传递、能量损失、射程以及氧化锌对质子的核阻止本领和电子阻止本领,并从微观上反映了入射质子与氧化锌之间的交互作用,以期为氧化锌在外空间应用中的材料设计和性能退化研究提供基础性数据。

1 计算模拟方法

计算模拟的对象为航天器热控涂层所用的氧化锌颜料,粉末粒径为300 nm。计算模拟中选定的质子能量分别为10、30、50、70、90、110 keV。在地球同步轨道中,10～110 keV质子是空间质子辐照环境的重要组成部分,其通量达到107cm-2·s-1左右,约占0.01～1.0 M eV质子通量的40%[8]。计算模拟采用SRIM-2003软件。SRIM-2003软件基于Monte Carlo方法,是目前国际上通用的计算带电粒子在靶材中入射和能量传递的计算机程序[9]。笔者研究的重点是通过模拟入射质子与氧化锌之间的交互作用来分析确定氧化锌的质子辐照损伤机制和辐照损伤区,计算的具体参数包括核阻止本领、电子阻止本领、能量损失分布和射程等。

2 结果与讨论

质子辐照下,氧化锌的辐照损伤源于质子与氧化锌的交互作用,即入射质子在沿其运行路径上把能量传递给氧化锌晶格中的锌、氧原子,而其自身却随着能量的衰减速度逐渐减小而慢化,直至最后损失全部能量而停留在氧化锌靶材中。从辐照损伤效应来看,质子与氧化锌的交互作用主要有电离和位移两种形式:①电离是指入射质子与氧化锌的核外电子发生非弹性碰撞而使电子脱离原子核的束缚而成为自由电子的过程,其辐照损伤表现为在氧化锌中引入过剩的空穴和电子密度;②位移是指入射质子与氧化锌的原子核发生弹性碰撞而使Zn、O原子脱离原有位置的过程,其辐照损伤表现为在氧化锌中产生空位、间隙原子、弗伦克尔对、双空位或空位/杂质原子对等。质子辐照下,氧化锌的辐照损伤是以电离效应为主、还是以位移效应为主,均与质子传递给氧化锌晶格原子的能量有关,只有传递的能量大于Zn、O原子的位移阈能时,才有可能发生位移损伤。

当入射质子与氧化锌晶格原子发生弹性碰撞时,根据能量和动量守恒定律,质子传递给晶格原子的能量为[10]

式中:ET为质子传递给晶格原子的能量,eV;Mp为质子的质量,g;Mt为晶格原子的质量,g;Ep为入射质子的能量,eV;φ为晶格原子的反冲角,(°)。

图1为φ=0°时10～110 keV质子在弹性碰撞中传递给Zn、O原子的最大能量ET,max(Zn)和ET,max(O)。由图1可看出,弹性碰撞中质子传递给Zn、O原子的最大能量都是随着质子能量的升高而线性增大;ET,max(Zn)、ET,max(O)分别在600～6 598 eV和2 223～24 457 eV范围内,且由于原子质量的原因,ET,max(Zn)

图1 弹性碰撞中传递给Zn、O原子的最大能量Fig.1 Maximum energies transferred to Zn and O atoms during elastic collisions

为进一步分析氧化锌的辐照损伤类型,分别计算了氧化锌的阻止本领和入射质子的能量损失。阻止本领可由入射质子在单位路径上的能量损失(-dE/dx)来描述,以反映氧化锌原子和核外电子对入射质子的阻止能力。图2为不同能量质子辐照下氧化锌的核阻止本领和电子阻止本领。核阻止本领反映了质子与氧化锌晶格原子核碰撞时引发的弹性能量损失。由图2可看出,对于10～110 keV的质子,氧化锌的核阻止本领小于2 eV/nm,并随着质子能量的增加而下降。电子阻止本领反映了质子与氧化锌晶格原子核外电子碰撞时引发的非弹性能量损失;对于10～110 keV的质子,氧化锌的电子阻止本领在80～170 eV/nm范围内,并随着质子能量的增加而先明显增强而后逐渐趋于一个恒定的极大值。对比后可见,氧化锌对10～110 keV质子的电子阻止本领远大于核阻止本领。在质子辐照过程中,表明氧化锌对入射质子的阻止、慢化主要是源于氧化锌核外电子与质子之间的交互作用。

图2 ZnO的核阻止本领和电子阻止本领Fig.2 Nucleus stopping power and electron stopping power of ZnO

能量损失计算结果同样表明了辐照过程中质子的能量损失主要是由入射质子与氧化锌核外电子之间的交互作用造成的。如果按照辐照损伤类型划分,辐照过程中质子的能量损失主要包括电离损失和位移损失。电离损失是指由于入射质子与氧化锌的核外电子发生非弹性碰撞而与电离相关的能量损失。位移损失是指由于入射质子与氧化锌的原子核发生弹性碰撞而与位移相关的能量损失。图3为氧化锌中质子电离损失和位移损失的百分率。由图3可看出,10～110 keV质子辐照下,93%～99%的质子能量损失用于氧化锌的电离过程,只有0.01%～0.09%的质子能量损失用于氧化锌的位移过程。综合以上能量传递、阻止本领和能量损失结果发现,虽然弹性碰撞中质子传递的最大能量远大于Zn、O原子的位移阈能,但10～110 keV质子辐照下氧化锌的辐照损伤主要是电离效应。

辐照损伤区是材料辐照效应研究中的重要内容,入射粒子在靶材中的终止位置及其在入射方向上的投影射程可以直观地反映材料的辐照损伤区。在经过与氧化锌原子核、核外电子的多次碰撞后,质子在氧化锌中的终止位置相对于入射点(0,0,0),可用三维坐标来描述。图4为10～110 keV质子辐照下入射质子在氧化锌中的终止位置,其中XY平面为靶材平面,Z轴为质子的入射方向,各能量下入射的质子数均为10 000个。X、Y轴坐标描述质子终止位置在靶材平面上偏离入射点的程度。由图4可看出,由于入射质子与氧化锌的多次碰撞,质子在氧化锌中并未沿着入射方向直线运动,质子的终止位置在靶材平面上偏离了入射点,偏离程度随着质子能量的增加而增大。Z轴坐标描述质子在靶材中的投影射程。由于每个入射质子在氧化锌中的碰撞次数以及每次碰撞的能量损失都不是恒定的,因此,10 000个质子在氧化锌中的投影射程是离散的。

图3 ZnO中质子各种能量损失的百分率Fig.3 Percentage of various proton energy loss in ZnO

图4 质子在ZnO中的终止位置Fig.4 Final positions of the protons in ZnO

图5为10～110 keV质子在氧化锌中的平均投影射程及其与质子能量关系的线性拟合结果。由图5可看出,10～110 keV质子在氧化锌中的平均投影射程介于90～700 nm之间,平均投影射程随着质子能量的增加而线性增大,并满足如下函数关系:

式中:Rp为平均投影射程,nm;Ep为入射质子能量,keV。

氧化锌的光学厚度约为60μm[13],10～110 keV质子的辐照损伤区在光学厚度之内,因此10～110 keV质子辐照能够模拟氧化锌在外空间的光学退化。

图5 质子在ZnO中的平均投影射程Fig.5 Average projected range of the protons in ZnO

3 结论

(1)10～110 keV质子辐照下,入射质子与氧化锌之间的交互作用主要体现在质子与氧化锌核外电子之间的非弹性碰撞,辐照损伤以电离效应为主,电子阻止本领远大于核阻止本领,电离损失远大于位移损失。

(2)10～110 keV质子辐照下,氧化锌的辐照损伤区主要集中在90～700 nm的射程范围内。根据氧化锌的光学厚度来判断,10～110 keV质子辐照能够模拟氧化锌在外空间的光学退化。

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