CC BY
21Физика и материаловедение
М.М. Михайлов, В.В. Нещименко
ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ ПРОТОНАМИ НА РАДИАЦИОННУЮ СТОЙКОСТЬ МИКРО-И НАНОПОРОШКОВ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ
The comparative analysis of the absorption spectre and changes in absorption spectra Induced by 100 keV protons of alaminum oxide micro- and nanopowders is considered in energy région 0.5-6 eV. It is established thaï the radiation siability and absorptance Ьфге irradiation in the région 4-6 eVfor fhe nanopowders higher in comparison with the mlcropmvders.
Введение
Оксвд алюминия A1203 в виде порошков, керамики, кристаллов находит широкое применение во многих областях науки и техники: электроника, конструкционные материалы, каталитическая химия, оптика. Это связано с его свойствами: большой твердостью - 9 Моос, высокой температурой плавления - 2046°С, высоким удельным сопротивлением - 10Ы Ом-м при комнатной температуре, относительно высоким коэффициентом преломления -1,76, большой шириной запрещенной зоны, изменяющейся в зависимости от модификации (а, Р, у, 5, q, в, к [ 1 -5]) в широких пределах. Экспериментально установлено, что Е8 изменяется в пределах от 8,75 [6] до 7 эВ [7], теоретически показано, что Е t может быть от 6,24 [9] до 5,13 {10] эВ для а-А1г03 и y-AljÔ, соответственно.
Известно, что энергия полос поглощения собственных точечных дефектов в монокристаллах А!,03 имеет следующие значения, эВ: 6,1 - F, 5,4(4,8)~F+,4,1 - Al,4,3,5- F2*, 2,7 - F;*. Вопросы о влиянии облучения на оптические свойства поликристаллов оксида алюминия изучены слабо. Не исследованы и соотношение значений коэффициента диффузного отражения и радиационная стойкость микро- и нанопорошков в различных областях спектра.
Целью настоящей работы было проведение сравнительного анализа спектров поглощения в области 0,5-6 эВ и их изменений после облучения протонами микро- и нанопорошков оксида алюминия.
Эксперимент
Объектом исследования служили порошки оксида алюминия чистоты 99,99% фирмы Zibo Fayuan Chemical Co. Ltd, со средним размером частиц 1,5 мкм (рис. 1.А). На-нопорошки А120 получены плазмохимическии;:методом, представляли собой смесь сферических пустотелых образований, их обломков и частиц округлой формы со средним размером 500 нм, состоящих из наночастиц с размером 10-30 нм.
Микрофотографии были получены на растровом электронном микроскопе OXFORD MX2600FE. Рснтгснострук-турный анализ (РСА) осуществляли на рентгеновском диф-рактометре Philips X'Pert PRO MRD (V =40 кВ, 1=40мА, CuKa = 1,5405) методом Дебая-Шеррера. Определение фазового состава и расчет параметров ячейки производили в программе MDI Jade 5.0 XRD. Образцы для регистрации спектров диффузного отражения (р.) приготавливали прессованием порошков под давлением 1 МПа в подложки диаметром 17 мм, высотой 4 мм со временем выдержки 2 мин. Облучение осуществляли в вакууме 2,510"* Па, флюенсомпротоновФ-5-1015см"*сэнергиейЕ= 100 кэВ при плотности потока <р= 1 • 1012 см ;с'\ Спектры поглощения^ рассчитывали по измеренным в области 200-2500 нм спектрофотометром Perkin Elmer Lambda 950 (диаметр интегрирующей сферы i 50 мм, шаг 5 нм/с) спектрам диффузного отражения (р1).
Результаты и обсуждение
Рентгенофазовы й анализ показал (рис. 2), что микро- и нанопорошки AljOj обладают кубической симметрией Fd3m с параметром ячейки о = 7,9 ± 0,04 и 7,88 ± 0,03 Â соответственно, что согласуется с результатами работ. Объем элементарных ячеек микропорошков составил 493,04 Â3, нанопорошков - 489,31 А3.
Из спектров поглощения а(Е), полученных по выражению а.~ (1-pJ, следует (рис. 3), что поглощение квантов света, обусловленное наличием дефектов различной природы, присутствующих на поверхности и в объеме поликристаллов, происходит во всем спектральном диапазоне.
А
Рис. 1. Микрофотография микро- (А) и нанопорошков (Б) оксида алюминия.
Рис. 2. Рентгенограмма микро- (А) и нанопорошков (Б) оксида алюминия.
Рис. 3. Спектры поглощения необлученных микро- и нанопорошков оксида алюминия.
В области выше 5 эВ оно может определяться Б-центрами. Далее различаются полосы вблизи 4,72 и 4,16 эВ, относящимися к Р+-центрам и к ионам А1*, интенсивность которых в нанопорошках выше соответственно на 20% и 7% по сравнению с микропорошками.
Две пары полос около 3,69-3,74 эВ и 3,4-3,45 эВ в спектре микропорошка смещены на 0,05 эВ по сравнению со
спектром нанопорошка. Вероятно, они имеют одинаковую природу, а смещение вызвано различием в объеме элементарных ячеек.
Поглощение в области от 1 до 3 эВ характерно для сложных дефектов на основе комплексов анионных и катион-ных вакансий.
Из рис. 3 следует, что в этой области поглощение мик-
22
Вестник АмГУ (Вып. 45, 2009)
ропорошками выше на 50-20% по сравнению с нанопо-рошками. Это может быть связано с тем, что наночасти-цы обладают высокой удельной поверхностью, т.е. число частиц при поверхности превышает количество частиц в объеме. Таким образом, мест для локализации сложных дефектов становится меньше в сравнении с микрочастицами.
В спектре микропорошка проявляются полосы при 1,84,1,42,1,29 и 1,05,0,86 и 0,64 эВ. В ближней ИК-облаега регистрируются полосы поглощения, относящиеся к хе-
мосорбированным газам (СО, С02, О и ОН-групп), наиболее отчетливые из которых 0,86 и 0,64 эВ принадлежат к различным колебаниям молекул ОН-групп [17]. Тот факт, что коэффициент поглощения микропорошков оксида алюминия выше по сравнению с нанопорошками, противоположен полученным нами ранее результатам по сравнительному анализу спектров поглощения микро- и нано-порошков диоксида циркония, нанопорошки которого имели большее поглощение, чем микропорошки. Вместе с этим следует отметить и другое различие спектров по-
Рис. 4. Спектры поглощения наведенного протонами 100 кэВ микро- и нанопорошков оксида алюминия.
Е, эВ
Рис. 5. Разность спектров поглощения микро- и нанопорошков оксида алюминия (Да = амикр - аиано) до облучения (А) и после облучения протонами (Б). Штрихами обозначен спектр излучения (Ьолнца.
рошков этих соединений: нанопорошки А1203 имеют большее поглощение по сравнению с нанопорошками Zr02.
Из разностных спектров поглощения микро- и нано-порошков Alj03 (рис. 4), полученных вычитанием спектров до облучения из спектров после облучения, следует, что воздействие ускоренных протонов приводит к образованию сплошного спектра наведенного поглощения, наиболее интенсивная часть которого располагается в области энергии от 5 до 2,5 эВ. Регистрируются полосы вблизи 5,15,4,43 и 3,97 эВ, интенсивность которых в спектре микропорошков по сравнению с нанопорошками больше на 42%, 40% и 44% соответственно.
Полоса вблизи 5,15 эВ может быть обусловлена меж-доузельными катионами AI*, полоса вблизи 4,43 эВ определяться поглощением F или F2+ центрами, полоса при 3,97 эВ - междоузельными анионами, которые не находятся в своем исходном состоянии из-за отсутствия необходимой энергии, а также воздействия полей образовавшихся дефектов структуры.
Полосы поглощения вблизи 3,57 и 3,2 эВ отчетливо проявляются только у микропорошков А1203, их природа не известна. Исходя из существующего суммарного контура поглощения, можно ожидать наличия подобных полос и в спектре нанопорошка.
На рис. 5 представлены разностные спектры, полученные вычитанием спектров поглощения нанопорошков из спектров микропорошков (Да = а -а ) до и после
г г г v микро нано7 "
облучения. Из спектров до облучения следует, что нано-А1203 имеет поглощение большее, чем микро-А1203, в области до энергии 3,93 эВ, а в низкоэнергетическом участке спектра следует ожидать, что концентрации дефектов в микропорошке больше, чем в нанопорошке. После облучения протонами в нанопорошках возникает значительное меньшее количество центров поглощения, чем в микропорошках. Наиболее существенное уменьшение поглощения регистрируется в области от 2,5 до 3,4 эВ, что соответствует области высокой интенсивности солнечного излучения.
Заключение
Выполненные исследования показали, что поглощение нанопорошками в области 0,5-4 эВ спектра меньше, а в области 4-6 эВ - больше по сравнению с микропорошками. Причиной уменьшения является большая удельная поверхность нанопорошков, которая снижает вероятность
образования сложных дефектов в наночастицах. Облучение протонами показало бблыпую радиационную стойкость нанопорошков по сравнению с микропорошками. Это дает основание утверждать, что релаксация электронных возбуждений на наночастицах, выступающих в роли центров рекомбинации, превалирует над всеми другими процессами, способствующих повышению концентрации дефектов и центров поглощения при облучении.
1. Levin I., Brandon D. Metastable Alumina Polymorphs: Crystal Structures and Transition Sequences // J. Am. Ceram. Soc. - 1998. -V. 81. - P. 1995-1999.
2. Levin I., Bendersky L. A., et al. Cubic to Monoclinic Phase Transformations in Alumina // Acta Metall. Mater. - 1997. - V. 45. -P. 3659-3662.
3. Levin I., Brandon D. G. A New Metastable Alumina Polymorph with Monoclinic Symmetry // Phil. Mag. Lett. - 1998. - V. 77. -P. 117-121.
• 4. Levin 1., Gemming Th„ Brandon D. G. Some Metastable Polymorphs and Transient Stages of Transformation in Alumina // Phys. Stat. Sol. A.
- 1998. - V. 166. - P. 197.
5. Stumpf H. C., Russell A. S., et al. Thermal Transformations of Aluminas and Alumina Hydrates // Ind. Eng. Chem. - 1950. - V. 42. -P. 1398.
6. French R. H., Mullejans H., Jones D. J. Optical Properties of Aluminum Oxide: Determined from Vacuum Ultraviolet and Electron Energy-Loss Spectroscopies // J. Am. Ceram. Soc. - 1998. - V. 81. -P. 2549.
7. Mo S. D., Xu Y.N., Ching W.Y. Electronic and Structural Properties of Bulk-AljO // J. Am. Ceram. Soc. - 1997. - V. 80. - P. 1193.
8. Guo J., Ellis D. E., Lam D. J. First-Principles Calculation of the Electronic Structure of Sapphire: Bulk States // Phys. Rev. B. - 1992. -V. 45. - P. 3204.
9. Ching W.Y., Xu Y.-N. First-Principles Calculation of Electronic, Optical, and Structural Properties of 6 -A1203 // J. Am. Ceram. Soc. -1994. - V. 77. - P.404.
10. Batra I. P. Electronic Structure of r-A1203 // J. Phys. C: Solid State Phys. - 1982. - V. 15. - P. 5399.
11. Kristianpoller N., Rehavi A., et al. Radiation effects in pure and doped ALO, crystals // Nuclear Instruments and methods in Physics Research "B. - 1998. - V. 141. - P.343-346.
12. Arnold G.W., Compton W.D. The latter factor is especially important at low electron // Phys. Rev. Letters. - 1960. - V. 4. - P. 66.
13. Kotomin E.A., Popov A.I. Radiation-induced point defects in simple oxide // Nuclear Instruments and methods in Physics Research B.
- 1998. - V. 141. - P. 1-15.
14. Lee K.H., Crawford J.H. Luminescence of the F-center in sapphire // Phys. Rev. B. - 1979. - V. 19. - P. 3217-3221.
15. Levy P. Color Centers and Radiation-Induced Defects in Al O, // Phys. Rev. - 1961. - V. 123. - P. 1226.
16. Aluker E.D., Gavrilov V.V., et al. Short-lived Frenkel defects in 6-ALO, // Phys. Status Solidi B. - 1992. - V. 171. - P. 283-288
17. Burns D. A., Ciurczak E.W. Handbook of Near-Infrared Analysis, 2001. - P. 814.
А.Г. Масловская
МОДЕЛИРОВАНИЕ КООРДИНАТНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ПИРОКОЭФФИЦИЕНТА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ МЕТОДОМ РЕГУЛЯРИЗАЦИИ ПО ТИХОНОВУ
The article is devoted to the mathematical simulation of pyrocoefficient distribution throughout the thickness of a ferroelectric crystal The simulation results basing on the experimental data and calculated value of thermalfield are presented The problem is being solved using Tikhonov method of regularization for Fredholm integral equation of the first type.
Введение
В настоящее время изучение общих закономерностей поляризационных процессов в сегнетоэлектрических материалах пироэлектрическими методами исследования представляет интерес с точки зрения как фундаменталь-
ной науки, так и технического применения. Пироэлектрические методы измерения позволяют исследовать состояние поляризации в объемных сегнетоэлектрических образцах [1-4]. В данной работе проведено моделирование распределения пироэлектрического коэффициента по толщине сегнетоэлектрического кристалла на основе решения интегрального уравнения Фредгольма I рода с использованием экспериментальных зависимостей пиротоков и расчетных значений температурного поля в образце.
Постановка обратной задачи пироэффекта
Для определения распределения пирокоэффициента у(х) по толщине кристалла воспользуемся выражением для пироэлектрического тока в одномерном случае [1]:
(1)
где Т(х,!) - тепловое поле в образце; Я - площадь грани кристалла; «/-толщина кристалла.
Решение задачи теплопроводности при воздействии на
