CC BY
24
УДК 006.16
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ МАЛОДОЗОВЫХ ЭФФЕКТОВ
© А.А. Дмитриевский
1. Фундаментальная проблема
Под эффектами малых доз обычно понимают нетривиальное поведение объектов живой и неживой природы в условиях низкоинтенсивных (или малодозо-вых) радиационных, электромагнитных или химических воздействий. До последнего времени эта область была плохо исследована. Отчасти это могло быть связано со скептическим отношением многих специалистов к самой возможности аномальных изменений свойств реальных объектов, индуцируемых низкоинтенсивными воздействиями. Однако регулярные исследования в этой области нескольких независимых групп, приведшие к обнаружению ряда надежно воспроизводимых эффектов (в биологии, химии и физике), развеивают сомнения в реальности подобных явлений и диктуют необходимость дальнейших систематических исследований. Поскольку мы живем в условиях непрерывного влияния слабых полей различной природы Земного, космического и техногенного происхождения, необходимы точные знания всех возможных последствий и физических механизмов их действия, а также санитарный и инженерный учет и нормирование всех существенных факторов окружающей среды.
Конец XX столетия часто называют кремниевым. Это связано с тем, что изменившая наш мир электроника базируется на кремнии. Многие ученые и аналитики сходны во мнении, что кремний останется главным материалом микро- и наноэлектроники и в XXI веке. Кроме того, кремний становится конструкционным материалом. На его основе изготавливаются микро- и наноэлектромеханические системы (МЕМБ/ ЫЕМБ), сенсоры и т. п. Поэтому даже незначительные изменения его механических свойств под действием различных внешних факторов становятся существенными, а их изучение - актуальным.
Бурные темпы развития нанотехнологий и необходимость учета влияния слабых физических полей на функциональные характеристики миниатюрных устройств требуют своевременного внедрения новейших научных достижений в этой области в учебный процесс.
В связи с этим основной целью деятельности лаборатории малодозовых эффектов является развитие нового научного направления кафедры теоретической и экспериментальной физики, связанного с вопросами влияния низкоинтенсивных (малодозовых) воздействий на физические (механические) свойства полупроводниковых кристаллов, способствующее совершенствова-
нию образовательного процесса на специальности «Физика» и «Медицинская физика».
Следует отметить, что в связи с открытием в Институте математики, физики и информатики Тамбовского государственного университета им. Г.Р. Державина новой специальности «Медицинская физика», перед лабораторией малодозовых эффектов ставится задача расширения спектра исследуемых материалов, т. е. переноса развитой для кристаллических материалов идеологии на более сложные системы - объекты живой природы.
Таким образом, к основным задачам лаборатории можно отнести следующие:
1) осуществление научно-исследовательской деятельности, направленной на получение новых экспериментальных данных, связанных с нетривиальными эффектами, индуцируемыми низкоинтенсивными воздействиями;
2) внедрение новейших научных достижений в области малодозовых эффектов в учебный процесс (в т. ч. разработка учебно-методических комплексов для преподавания дисциплин по специальности «Физика» и «Медицинская физика»);
3) привлечение студентов к научно-исследовательской работе.
2. Структура лаборатории
Официально лаборатория малодозовых эффектов образована 13 февраля 2008 г. (Приказ № 53). Общее руководство лабораторией осуществляет к.ф.-м.н., доцент А.А. Дмитриевский (заведующий кафедрой теоретической и экспериментальной физики). В состав лаборатории входят к.ф.-м.н. Н.Ю. Ефремова (старший преподаватель кафедры теоретической и экспериментальной физики) и 2 аспиранта кафедры (В.М. Васюков и М.Ю. Толотаев). Кроме того, в лаборатории ежегодно помимо 2-3 студентов V курса (выполняющих дипломные работы) ведут активную научно-исследовательскую деятельность 3-4 студента младших курсов.
3. Основные научные результаты и достижения
На сегодняшний день сотрудниками лаборатории малодозовых эффектов накоплен значительный, во многом уникальный экспериментальный материал по влиянию низкоинтенсивных воздействий на физиче-
ские свойства ионных, ионно-ковалентных, ковалентных и молекулярных кристаллов. Кратко перечислим основные из них.
1. Обнаружено обратимое изменение микротвердости монокристаллов фуллерита C60, индуцируемое низкоинтенсивным (I = 105-3-106 см-2 с-1) потоком бета-частиц. Облучение фуллерита гамма-квантами при прочих равных условиях не приводит к заметным изменениям числа микротвердости.
2. Обнаружено гашение магнито-пластического эффекта в монокристаллах фуллерита С60, посредством предварительного низкоинтенсивного облучения.
3. В окрестности точки фазового перехода sc-fcc обнаружена инверсия знака температурной зависимости бета-индуцированного остаточного изменения микротвердости монокристаллов С60. Установлено, что процессы бета-индуцированного изменения микротвердости фуллерита С60, а также ее последующего восстановления к исходному значению имеют термоактивационный характер. Определены энергии активации соответствующих процессов и показано их различие для sc и fcc решеток.
4. Обнаружено и исследовано немонотонное изменение микротвердости монокристаллов кремния под действием низкоинтенсивного (I ~ 105 см~2с-1) бета-облучения.
5. Анализ спектров рамановского смещения (регистрируемых в центральной области отпечатков инден-тора) и кривых ползучести, полученных на характерных стадиях облучения, позволил заключить, что немонотонные изменения микротвердости кремния связаны с преобразованием подсистемы точечных радиационных дефектов.
6. Независимыми взаимодополняющими методами (изохронный отжиг образцов на характерных стадиях облучения, исследование зависимости скорости относительного изменения микротвердости от интенсивности облучения, а также синхронное исследование зависимостей микротвердости и концентрации электриче-ски-активных радиационных дефектов методом нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней) были идентифицированы комплексы вторичных радиационных дефектов, ответственные за каждую стадию изменения микротвердости кремния. Предложена качественная модель последовательных квазихи-мических реакций в дефектной подсистеме, конечными продуктами которых являются идентифицированные комплексы.
7. Обнаружено влияние электрических полей на динамику изменений микротвердости кремния, индуцированных низкоинтенсивным бета-облучением. Показано, что «знак» эффекта зависит от взаимной ориентации вектора напряженности электрического поля и направления потока заряженных частиц. Показано, что слабые магнитные поля (индукция B = 0,28 Тл) оказывают ингибирующее действие на процесс преобразования подсистемы структурных (собственных и радиационных) дефектов кремния, индуцируемый низкоинтенсивным облучением бета-частицами. Таким образом, показана принципиальная возможность управления динамикой изменений микротвердости монокристаллов кремния, индуцируемых низкоинтенсивным бета-облучением, посредством внешних электрических и магнитных полей.
Часть представленных выше результатов составила основу диссертационной работы, успешно защищенной в 2007 г. сотрудницей лаборатории Н.Ю. Ефремовой.
Только за последние 3 года коллективом лаборатории опубликовано более десятка научных статей в ведущих академических Российских и зарубежных журналах. Кроме того, результаты научно-исследовательской работы лаборатории были представлены более чем на 20 научных конференциях международного и Всероссийского уровня, где вызывали живой интерес ведущих специалистов.
Следует отметить, что участниками большинства конференций, в т. ч. и международных, являлись студенты, принимавшие активное участие в исследовательской деятельности лаборатории. Они неоднократно являлись призерами конкурсов научных работ студентов и аспирантов.
4. Наиболее важные публикации коллектива лаборатории малодозовых эффектов
1. Головин Ю.И., Дмитриевский А.А. Эффекты влияния малых доз и интенсивностей радиационных и электромагнитных воздействий на свойства реальных кристаллов // Журнал функциональных материалов. 2007. Т. 1. № 1. С. 11-20.
2. Головин Ю.И., Дмитриевский А.А., Лопатин Д.В. Спин-зависимые реакции между дефектами структуры в немагнитных твердых телах и их макроскопические проявления // Известия Академии Наук. Серия Физическая. 2004. Т. 68. № 7. С. 1009-1012.
3. Головин Ю.И., Дмитриевский А.А., Пушнин И.А., Сучкова Н.Ю. Обратимое изменение микротвердости кристаллов Si, вызванное малодозовым облучением электронами при комнатной температуре // ФТТ. 2004. Т. 46. № 10. С. 1790-1792.
4. Головин Ю.И., Дмитриевский А.А., Сучкова Н.Ю., Толотаев М.Ю. Изменения микротвердости кремния, индуцируемые слабоинтенсивным потоком электронов // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2007. № 4. С. 34-36.
5. Головин Ю.И., Дмитриевский А.А., Сучкова Н.Ю. Динамика изменения микротвердости монокристаллов Si под действием слабого бета-облучения // Деформация и разрушение материалов. 2005. № 1. С. 23.
6. Головин Ю.И., Дмитриевский А.А., Сучкова Н.Ю., Бадылевич М.В. Многостадийное радиационно-стимулированное изменение микротвердости монокристаллов Si, инициируемое малоинтенсивным бета-облучением // ФТТ. 2005. Т. 47. № 7. С. 1237-1240.
7. Бадылевич М.В., Блохин И.В., Головин Ю.И., Дмитриевский А.А., Карцев С.В., Сучкова Н.Ю., Толо-таев М. Ю. Немонотонные изменения концентрации радиационных дефектов донорного и акцепторного типов в кремнии, индуцируемые слабоинтенсивным бета-облучением // ФТП. 2006. Т. 40. № 12. С. 14091411.
8. Головин Ю.И., Дмитриевский А.А., Сучкова Н.Ю. Структура комплексов, ответственных за радиационно-стимулированное разупрочнение монокристаллов кремния // ФТТ. 2006. Т. 48. № 2. С. 262-265.
9. Головин Ю.И., Дмитриевский А.А., Сучкова Н.Ю. Влияние типа и концентрации легирующей примеси на
динамику бета-индуцированного изменения микротвердости кремния // ФТТ. 2008. Т. 50. № 1. С. 26-28.
10. Дмитриевский А.А., Сучкова Н.Ю., Толотаев М.Ю. Облучение кремния низкоинтенсивным потоком электронов при повышенных температурах // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. № 11. С. 93-95.
11. Головин Ю.И., Дмитриевский А.А., Иванов В.Е., Сучкова Н.Ю., Толотаев М.Ю. Влияние слабых магнитных полей на динамику изменений микротвердости кремния, индуцируемых малоинтенсивным бета-облучением // ФТТ. 2007. Т. 49. № 5. С. 822-823.
12. Дмитриевский А.А., Головин Ю.И., Васюков В.М., Сучкова Н. Ю. Влияние электрических полей на динамику изменений микротвердости кремния, индуцируемых низкоинтенсивным бета-облучением // Известия РАН. Серия Физическая. 2008. Т. 72. № 7. С. 988-990.
5. Гранты
Нельзя не отметить активное участие лаборатории в «грантовской» деятельности, что повышает мобильность сотрудников и позволяет наращивать материально-техническую базу. Сотрудники лаборатории являлись исполнителями следующих коллективных и индивидуальных грантов и программ:
1. «Фуллерены и атомные кластеры» договор № 541-02.
2. РФФИ № 06-02-96323-р_центр_а.
3. РФФИ № 06-02-96321-р_центр_а.
4. РФФИ № 08-02-97512-р_центр_а.
5. РФФИ № 09-02-97541-р_центр_а.
6. «МАС - 2001» (РФФИ) № 01-02-06340-мас.
7. ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы» № 30475/1558.
8. ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы» № РИ-111/001/064.
Таким образом, среднегодовой объем внебюджетного финансирования лаборатории составляет порядка 350 тыс. руб.
В заключение следует отметить, что лаборатория малодозовых эффектов тесно сотрудничает с Учебноинновационным центром «Нанотехнологии и наноматериалы», располагающим уникальным научноисследовательским оборудованием, что значительно расширяет технические возможности исследовательской деятельности лаборатории и открывает перспективу реализации намеченных планов.
Поступила в редакцию 3 июня 2009 г.
