基于多模式掃描探針顯微鏡技術(shù)分析碳化硅的輻照損傷

白志平 范紅玉 袁 凱 劉純潔 安泰巖 王 研 趙晨旭 李 月

（大連民族學(xué)院 物理與材料工程學(xué)院 大連 116600）

基于多模式掃描探針顯微鏡技術(shù)分析碳化硅的輻照損傷

白志平 范紅玉 袁 凱 劉純潔 安泰巖 王 研 趙晨旭 李 月

（大連民族學(xué)院 物理與材料工程學(xué)院 大連 116600）

本文在600 °C對(duì)6H-SiC進(jìn)行了He+輻照實(shí)驗(yàn)，離子輻照能量為100 keV，劑量為5×1015ions·cm-2、1×1016ions·cm-2、3×1016ions·cm-2和8×1016ions·cm-2。本文采用多模式掃描探針顯微鏡技術(shù)，包括輕敲模式原子力顯微鏡、納米壓痕/劃痕和導(dǎo)電模式原子力顯微鏡技術(shù)對(duì)樣品輻照前后的表面損傷進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，隨輻照劑量的增加，樣品表面粗糙度逐漸增加，表面硬度逐漸下降。導(dǎo)電模式原子力顯微鏡能清晰地觀測(cè)到樣品表面氦泡分布形態(tài)，進(jìn)一步說明材料表面的腫脹是由材料內(nèi)部高壓氦泡產(chǎn)生的。

碳化硅，輻照損傷，納米壓痕/劃痕，多模式掃描探針顯微鏡

碳化硅(SiC)材料是自第一代元素半導(dǎo)體材料(Si)和第二代半導(dǎo)體材料(GaAs等)之后發(fā)展起來的第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料。在高溫下，常規(guī)半導(dǎo)體材料的遷移率會(huì)下降，而SiC具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高飽和電子速度和高擊穿電場(chǎng)等特性，因此，碳化硅器件可以在高溫、大功率、強(qiáng)輻照?qǐng)龅葮O端惡劣的條件下工作[1-2]。SiC的這些特性使得其在聚變反應(yīng)堆第一壁或偏濾器靶板上具有很大的應(yīng)用前景。因此研究材料的輻照損傷特性、分析輻照誘導(dǎo)缺陷的演化規(guī)律對(duì)于指導(dǎo)SiC材料的器件設(shè)計(jì)以及材料優(yōu)化等方面具有非常重要的意義[3-6]。

目前，在已報(bào)道的材料輻照缺陷研究工作中，表征方法主要依賴于掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)[7-8]技術(shù)。雖然SEM和TEM可以直觀地給出材料表面的微結(jié)構(gòu)改變、內(nèi)部缺陷等信息，但是這兩種表征方法都需要在高真空條件下工作。特別是TEM方法的制樣過程非常復(fù)雜，通常需要經(jīng)過切片、拋光、離子減薄等步驟。在這些過程中，樣品的微結(jié)構(gòu)信息有可能發(fā)生改變，干擾正常的分析。近年來發(fā)展起來的多模式掃描探針顯微鏡技術(shù)是一種可對(duì)物質(zhì)的表面形貌、微結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行綜合測(cè)量和分析的先進(jìn)手段，具有分辨率高、工作環(huán)境要求低（常溫常壓下操作即可）、待測(cè)樣品要求低、制樣簡單及不損壞樣品等特點(diǎn)，在科學(xué)研究中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[9-10]。本文采用多模式的掃描探針顯微鏡技術(shù)對(duì)經(jīng)過600 °C、100 keV He+輻照的6H-SiC樣品的損傷特性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，研究了樣品輻照前后的表面形貌、硬度以及導(dǎo)電性的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中采用的He+束注入能量為100 keV，輻照劑量分別為5×1015ions·cm-2、1×1016ions·cm-2、3×1016ions·cm-2和8×1016ions·cm-2，溫度控制在600 °C。輻照過程中為避免溝道效應(yīng)[11]，樣品偏離束源方向7°-8°。當(dāng)輻照劑量為8×1016ions·cm-2時(shí)，依照SRIM2008計(jì)算結(jié)果，注入的He+在SiC中的濃度和原子離位損傷分布如圖1所示。He+射程大約在465 nm，對(duì)應(yīng)的峰值損傷為3.0 dpa。

圖1 利用SRIM2008計(jì)算得到SiC中He+濃度及輻照損傷的深度分布Fig.1 Depth distribution of He+ concentration and lattice damage in SiC calculated by SRIM2008.

采用輕敲模式原子力顯微鏡(AFM，veeco公司，DI3100)對(duì)輻照前后的SiC樣品進(jìn)行掃描，得到樣品的表面形貌。采用基于原子力顯微鏡的納米壓痕和劃痕技術(shù)對(duì)輻照前后樣品的表面硬度進(jìn)行分析。納米壓痕分析使用的是一個(gè)彈性系數(shù)為181N·m-1的金剛石針尖，在針尖上施加26 μN(yùn)的力，垂直于樣品表面單次壓入產(chǎn)生壓痕。納米劃痕分析是在金剛石針尖上施加40 μN(yùn)的力，在樣品上橫向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生長度為0.5 μm的劃痕。對(duì)壓痕投影面積及劃痕深度進(jìn)行分析，得到樣品表面硬度的變化情況。導(dǎo)電模式原子力顯微鏡采用Pt-Ir導(dǎo)電針尖，在樣品上施加偏壓，檢測(cè)樣品表面的漏電流分布情況，對(duì)照同時(shí)獲得的樣品表面形貌圖，分析樣品內(nèi)部導(dǎo)電缺陷點(diǎn)與表面形貌之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌分析

首先采用輕敲模式原子力顯微鏡對(duì)輻照前后樣品的表面形貌進(jìn)行了分析。如圖2所示，輻照前樣品表面非常平整，輻照后樣品表面出現(xiàn)很多凸起的小顆粒。隨著輻照劑量的增加，凸起的顆粒密度和尺寸均逐漸增加，樣品的表面粗糙度也越來越大。這主要是由于離子注入在材料內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，而在600 °C加熱條件下，會(huì)加劇缺陷的遷移，點(diǎn)缺陷聚集長大，形成較大的體缺陷，如He會(huì)聚集長大，從而引起材料表面產(chǎn)生腫脹現(xiàn)象。隨著輻照劑量增加，注入到材料內(nèi)部的離子數(shù)增加，材料內(nèi)部缺陷增加，表面腫脹現(xiàn)象更加明顯，材料表面的粗糙度增加。

圖2 輕敲模式原子力顯微鏡分析樣品在不同輻照劑量下的表面形貌Fig.2 Surface morphology of the samples irradiated at different He ion doses.

2.2 表面硬度分析

采用基于原子力顯微鏡的納米壓痕技術(shù)對(duì)He+輻照前后碳化硅的表面硬度進(jìn)行了分析，如圖3所示。隨著離子輻照劑量增加，在相同負(fù)載力作用下，壓痕的投影面積逐漸增大，這說明離子輻照后碳化硅的表面硬度降低，這可能是由于高能He+注入破壞了碳化硅晶體的結(jié)構(gòu)造成的。

同樣采用納米劃痕技術(shù)來分析輻照前后樣品表面硬度變化，如圖4所示。在相同力作用下，樣品表面的劃痕深度隨輻照劑量增加，這一結(jié)果與納米壓痕的結(jié)果一致。

圖3 碳化硅的納米壓痕圖像比較Fig.3 Representative AFM images with indentation impressions for SiC irradiated at different He ion doses.

圖4 碳化硅納米劃痕圖像比較Fig.4 Representative AFM images after a single scratch on the samples irradiated at different He ion doses.

圖5對(duì)He+輻照前后碳化硅表面的劃痕深度和表面粗糙度進(jìn)行了定量分析。由圖5，未輻照樣品的劃痕深度約為10 nm，經(jīng)過劑量為5×1015ions·cm-2的He+輻照后，劃痕深度明顯大于10 nm，經(jīng)過劑量為1×1016ions·cm-2的He+輻照后，劃痕深度約為13nm，隨著輻照劑量增加，劃痕深度逐漸增加，當(dāng)輻照劑量增加到8×1016ions·cm-2后，劃痕深度增加到17 nm左右。同樣，隨著輻照劑量增加，樣品的表面粗糙度越來越大。輻照前，碳化硅樣品的表面很平整，粗糙度僅有0.1 nm，當(dāng)輻照劑量增加到8×1016ions·cm-2時(shí)，表面粗糙度增加到2.3 nm左右。

圖5 碳化硅表面的劃痕深度和表面粗糙度隨He+輻照劑量的變化曲線Fig.5 Scratch depth and surface roughness as a function of He ion doses.

2.3 導(dǎo)電性分析

最后，采用基于AFM的導(dǎo)電模式原子力顯微鏡(CAFM模式)[9-10]對(duì)輻照前后碳化硅樣品的導(dǎo)電性進(jìn)行了分析。CAFM操作模式可以在測(cè)得樣品內(nèi)部電流分布圖像的同時(shí)得到與之對(duì)應(yīng)的表面形貌圖。通過表面形貌圖像和電流分布圖像的對(duì)比，得出樣品表面形貌與材料內(nèi)表面缺陷分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系。首先對(duì)未輻照樣品進(jìn)行CAFM模式掃描，如圖6(a)所示，樣品上施加的負(fù)偏壓為-2 V，此時(shí)樣品內(nèi)部電流分布均勻，幾乎沒有缺陷。同時(shí)采用CAFM對(duì)不同輻照劑量下的樣品進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在輻照劑量低于8×1016ions·cm-2時(shí)，電流信號(hào)較弱，無法得到清晰的電流圖像。當(dāng)輻照劑量為8×1016ions·cm-2時(shí)，在樣品上施加-1.0 mV的負(fù)偏壓即可明顯檢測(cè)到電流信號(hào)。如圖6(b)所示，電流分布圖中出現(xiàn)橢球狀缺陷，并且在形貌圖中都能得到對(duì)應(yīng)的表面凸起，這進(jìn)一步說明這些缺陷點(diǎn)的存在導(dǎo)致了材料表面的腫脹。這是因?yàn)楫?dāng)離子注入劑量足夠高時(shí)，材料內(nèi)部的缺陷點(diǎn)會(huì)逐漸遷移、聚集形成He泡缺陷，高壓He泡缺陷的形成使得材料屈服強(qiáng)度下降，產(chǎn)生表面腫脹。從圖6還看出，電流分布圖像要比同時(shí)獲得的形貌圖像更加清晰，這說明電流信號(hào)受樣品缺陷的影響更加顯著。從電流分布圖中可以清楚地觀察到He泡為橢球狀，大小在10-25 nm，分布均勻。

圖6 CAFM模式測(cè)得的碳化硅的表面形貌（左）和同時(shí)得到的電流分布圖像（右）Fig.6 Topography (left) and simultaneously measured current image (right) obtained on the samples irradiated at He ion doses.

3 結(jié)語

基于多模式掃描探針顯微鏡技術(shù)對(duì)He+輻照前后碳化硅的表面形貌、硬度以及導(dǎo)電性變化進(jìn)行了綜合分析。結(jié)果表明，隨著輻照劑量增加，樣品表面粗糙度明顯增加，樣品表面硬度下降。通過CAFM對(duì)樣品內(nèi)部電流分布的分析說明，樣品內(nèi)部高壓He泡缺陷的形成是造成樣品表面產(chǎn)生腫脹的主要原因，通過CAFM模式可以清楚地觀察到樣品內(nèi)部He泡缺陷的分布形態(tài)與特征。總之，多模式掃描探針顯微鏡技術(shù)是一種無損傷、簡便、對(duì)樣品要求比較低并且可以對(duì)材料輻照特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的分析方法。利用先進(jìn)的掃描探針顯微鏡技術(shù)在分析固體缺陷上的優(yōu)勢(shì)，將加深對(duì)材料輻照缺陷特性的認(rèn)識(shí)，推進(jìn)材料輻照損傷領(lǐng)域的研究進(jìn)程。

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CLCTL62+7

Irradiation damage in silicon carbide based on a multi-mode scanning probe microscope

BAI Zhiping FAN Hongyu YUAN Kai LIU Chunjie AN Taiyan WANG Yan ZHAO Chenxu LI Yue
(School of Physics and Materials Engineering, Dalian Nationalities University, Dalian 116600, China)

Background: As one of the most attractive materials for the first wall or structural materials in fusion reactors, silicon carbide (SiC) is subjected to strong heat flux, neutron radiation and the bombardment by energetic ions. However, defects in material will be induced by high temperature and high radiation. Purpose: The analysis of irradiation damage behavior in SiC is important for the development of fusion reactors. Methods: 6H-SiC were irradiated by 100-keV He+at 600 °C in doses of 5×1015ions·cm-2, 1×1016ions·cm-2, 3×1016ions·cm-2and 8×1016ions·cm-2. Multi-mode scanning probe microscopy techniques, including tapping mode atomic force microscopy (AFM), and nano-indentation/scratch and conduction mode AFM techniques were used to analyze the irradiation damage. Results: He ion irradiation with the dose of 5×1015-1×1016ions·cm-2leads to an obvious change of surface topography. It can be clearly seen the surface swelling of irradiated samples. The surface roughness and root mean square roughness (RMS) value increased with increasing He+doses. However, the nano hardness and scratching resistance decreased with increasing He+doses. The distributions and morphologies of helium bubble could be clearly observed by conduction AFM. The surface swellings of the irradiated samples were mainly produced by the internal pressure of helium bubbles. Conclusion: We have performed multi-mode scanning probe microscopy techniques for detecting the He+irradiated SiC samples. This technique can provide a comprehensive evaluation of irradiated fusion materials.

Silicon carbide (SiC), Irradiation damage, Nano-indentation/scratch, Multi-mode scanning probe microscope

TL62+7

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.010204

白志平，男，1992年出生，2010年就讀于大連民族學(xué)院攻讀學(xué)士學(xué)位，研究領(lǐng)域：材料輻照損傷

范紅玉，E-mail: fanhy@dlnu.edu.cn

2013-10-22，

2013-11-13