基于多模式扫描探针显微镜技术分析碳化硅的辐照损伤

白志平 范红玉 袁 凯 刘纯洁 安泰岩 王 研 赵晨旭 李 月

（大连民族学院 物理与材料工程学院 大连 116600）

基于多模式扫描探针显微镜技术分析碳化硅的辐照损伤

白志平 范红玉 袁 凯 刘纯洁 安泰岩 王 研 赵晨旭 李 月

（大连民族学院 物理与材料工程学院 大连 116600）

本文在600 °C对6H-SiC进行了He+辐照实验，离子辐照能量为100 keV，剂量为5×1015ions·cm-2、1×1016ions·cm-2、3×1016ions·cm-2和8×1016ions·cm-2。本文采用多模式扫描探针显微镜技术，包括轻敲模式原子力显微镜、纳米压痕/划痕和导电模式原子力显微镜技术对样品辐照前后的表面损伤进行了分析。结果表明，随辐照剂量的增加，样品表面粗糙度逐渐增加，表面硬度逐渐下降。导电模式原子力显微镜能清晰地观测到样品表面氦泡分布形态，进一步说明材料表面的肿胀是由材料内部高压氦泡产生的。

碳化硅，辐照损伤，纳米压痕/划痕，多模式扫描探针显微镜

碳化硅(SiC)材料是自第一代元素半导体材料(Si)和第二代半导体材料(GaAs等)之后发展起来的第三代宽带隙半导体材料。在高温下，常规半导体材料的迁移率会下降，而SiC具有宽禁带、高热导率、高饱和电子速度和高击穿电场等特性，因此，碳化硅器件可以在高温、大功率、强辐照场等极端恶劣的条件下工作[1-2]。SiC的这些特性使得其在聚变反应堆第一壁或偏滤器靶板上具有很大的应用前景。因此研究材料的辐照损伤特性、分析辐照诱导缺陷的演化规律对于指导SiC材料的器件设计以及材料优化等方面具有非常重要的意义[3-6]。

目前，在已报道的材料辐照缺陷研究工作中，表征方法主要依赖于扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)[7-8]技术。虽然SEM和TEM可以直观地给出材料表面的微结构改变、内部缺陷等信息，但是这两种表征方法都需要在高真空条件下工作。特别是TEM方法的制样过程非常复杂，通常需要经过切片、抛光、离子减薄等步骤。在这些过程中，样品的微结构信息有可能发生改变，干扰正常的分析。近年来发展起来的多模式扫描探针显微镜技术是一种可对物质的表面形貌、微结构等信息进行综合测量和分析的先进手段，具有分辨率高、工作环境要求低（常温常压下操作即可）、待测样品要求低、制样简单及不损坏样品等特点，在科学研究中已经得到广泛应用[9-10]。本文采用多模式的扫描探针显微镜技术对经过600 °C、100 keV He+辐照的6H-SiC样品的损伤特性进行了综合评价，研究了样品辐照前后的表面形貌、硬度以及导电性的变化规律。

1 实验方法

实验中采用的He+束注入能量为100 keV，辐照剂量分别为5×1015ions·cm-2、1×1016ions·cm-2、3×1016ions·cm-2和8×1016ions·cm-2，温度控制在600 °C。辐照过程中为避免沟道效应[11]，样品偏离束源方向7°-8°。当辐照剂量为8×1016ions·cm-2时，依照SRIM2008计算结果，注入的He+在SiC中的浓度和原子离位损伤分布如图1所示。He+射程大约在465 nm，对应的峰值损伤为3.0 dpa。

图1 利用SRIM2008计算得到SiC中He+浓度及辐照损伤的深度分布Fig.1 Depth distribution of He+ concentration and lattice damage in SiC calculated by SRIM2008.

采用轻敲模式原子力显微镜(AFM，veeco公司，DI3100)对辐照前后的SiC样品进行扫描，得到样品的表面形貌。采用基于原子力显微镜的纳米压痕和划痕技术对辐照前后样品的表面硬度进行分析。纳米压痕分析使用的是一个弹性系数为181N·m-1的金刚石针尖，在针尖上施加26 μN的力，垂直于样品表面单次压入产生压痕。纳米划痕分析是在金刚石针尖上施加40 μN的力，在样品上横向运动，产生长度为0.5 μm的划痕。对压痕投影面积及划痕深度进行分析，得到样品表面硬度的变化情况。导电模式原子力显微镜采用Pt-Ir导电针尖，在样品上施加偏压，检测样品表面的漏电流分布情况，对照同时获得的样品表面形貌图，分析样品内部导电缺陷点与表面形貌之间的关系。

2 结果与讨论

2.1 表面形貌分析

首先采用轻敲模式原子力显微镜对辐照前后样品的表面形貌进行了分析。如图2所示，辐照前样品表面非常平整，辐照后样品表面出现很多凸起的小颗粒。随着辐照剂量的增加，凸起的颗粒密度和尺寸均逐渐增加，样品的表面粗糙度也越来越大。这主要是由于离子注入在材料内部产生缺陷，而在600 °C加热条件下，会加剧缺陷的迁移，点缺陷聚集长大，形成较大的体缺陷，如He会聚集长大，从而引起材料表面产生肿胀现象。随着辐照剂量增加，注入到材料内部的离子数增加，材料内部缺陷增加，表面肿胀现象更加明显，材料表面的粗糙度增加。

图2 轻敲模式原子力显微镜分析样品在不同辐照剂量下的表面形貌Fig.2 Surface morphology of the samples irradiated at different He ion doses.

2.2 表面硬度分析

采用基于原子力显微镜的纳米压痕技术对He+辐照前后碳化硅的表面硬度进行了分析，如图3所示。随着离子辐照剂量增加，在相同负载力作用下，压痕的投影面积逐渐增大，这说明离子辐照后碳化硅的表面硬度降低，这可能是由于高能He+注入破坏了碳化硅晶体的结构造成的。

同样采用纳米划痕技术来分析辐照前后样品表面硬度变化，如图4所示。在相同力作用下，样品表面的划痕深度随辐照剂量增加，这一结果与纳米压痕的结果一致。

图3 碳化硅的纳米压痕图像比较Fig.3 Representative AFM images with indentation impressions for SiC irradiated at different He ion doses.

图4 碳化硅纳米划痕图像比较Fig.4 Representative AFM images after a single scratch on the samples irradiated at different He ion doses.

图5对He+辐照前后碳化硅表面的划痕深度和表面粗糙度进行了定量分析。由图5，未辐照样品的划痕深度约为10 nm，经过剂量为5×1015ions·cm-2的He+辐照后，划痕深度明显大于10 nm，经过剂量为1×1016ions·cm-2的He+辐照后，划痕深度约为13nm，随着辐照剂量增加，划痕深度逐渐增加，当辐照剂量增加到8×1016ions·cm-2后，划痕深度增加到17 nm左右。同样，随着辐照剂量增加，样品的表面粗糙度越来越大。辐照前，碳化硅样品的表面很平整，粗糙度仅有0.1 nm，当辐照剂量增加到8×1016ions·cm-2时，表面粗糙度增加到2.3 nm左右。

图5 碳化硅表面的划痕深度和表面粗糙度随He+辐照剂量的变化曲线Fig.5 Scratch depth and surface roughness as a function of He ion doses.

2.3 导电性分析

最后，采用基于AFM的导电模式原子力显微镜(CAFM模式)[9-10]对辐照前后碳化硅样品的导电性进行了分析。CAFM操作模式可以在测得样品内部电流分布图像的同时得到与之对应的表面形貌图。通过表面形貌图像和电流分布图像的对比，得出样品表面形貌与材料内表面缺陷分布的对应关系。首先对未辐照样品进行CAFM模式扫描，如图6(a)所示，样品上施加的负偏压为-2 V，此时样品内部电流分布均匀，几乎没有缺陷。同时采用CAFM对不同辐照剂量下的样品进行分析，结果发现在辐照剂量低于8×1016ions·cm-2时，电流信号较弱，无法得到清晰的电流图像。当辐照剂量为8×1016ions·cm-2时，在样品上施加-1.0 mV的负偏压即可明显检测到电流信号。如图6(b)所示，电流分布图中出现椭球状缺陷，并且在形貌图中都能得到对应的表面凸起，这进一步说明这些缺陷点的存在导致了材料表面的肿胀。这是因为当离子注入剂量足够高时，材料内部的缺陷点会逐渐迁移、聚集形成He泡缺陷，高压He泡缺陷的形成使得材料屈服强度下降，产生表面肿胀。从图6还看出，电流分布图像要比同时获得的形貌图像更加清晰，这说明电流信号受样品缺陷的影响更加显著。从电流分布图中可以清楚地观察到He泡为椭球状，大小在10-25 nm，分布均匀。

图6 CAFM模式测得的碳化硅的表面形貌（左）和同时得到的电流分布图像（右）Fig.6 Topography (left) and simultaneously measured current image (right) obtained on the samples irradiated at He ion doses.

3 结语

基于多模式扫描探针显微镜技术对He+辐照前后碳化硅的表面形貌、硬度以及导电性变化进行了综合分析。结果表明，随着辐照剂量增加，样品表面粗糙度明显增加，样品表面硬度下降。通过CAFM对样品内部电流分布的分析说明，样品内部高压He泡缺陷的形成是造成样品表面产生肿胀的主要原因，通过CAFM模式可以清楚地观察到样品内部He泡缺陷的分布形态与特征。总之，多模式扫描探针显微镜技术是一种无损伤、简便、对样品要求比较低并且可以对材料辐照特性进行综合评价的分析方法。利用先进的扫描探针显微镜技术在分析固体缺陷上的优势，将加深对材料辐照缺陷特性的认识，推进材料辐照损伤领域的研究进程。

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3 Bockstedte M, Marini A, Pankratov O, et al. Many-body effects in the excitation spectrum of a defect in SiC[J]. Physical Review Letters, 2010, 105: 026401

4 Zhou H B, Jin S, Zhang Y, et al. Stress tensor: a quantitative indicator of effective volume[J]. Physical Review Letters, 2011, 109: 135502

5 Liu Y, Wang G, Wang S, et al. The origin of magnetism in wide band-gap semiconductors[J]. Physical Review Letters, 2011, 106: 087205

6 Nozawa T, Hinoki T, Hasegawa A, et al. High temperature tensile properties of near-stoichiometric SiC fiberreinforced SiC matrix composties[J]. Journal of Nuclear Materials, 2009, 622: 386-388

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8 Zhang C H, Sun Y M, Song Y, et al. Beam interactions with materials and atoms[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research B, 2007, 56-58: 243-256

9 Liu D, Benstetter G, Frammelsberger W. The effect of the surface layer of tetrahedral amorphous carbon films on their tribological and electron emission properties investigated by atomic force microscopy[J]. Applied Physics Letters, 2003, 82: 3898-3900

10 Fan H, Sun L, Liu D, et al. The influence of helium ion irradiation on amorphous hydrocarbon films[J]. Journal of Nuclear Materials, 2013, 435: 214-221

11 Ziegler J F, Biersack J P, Littmark U. The stopping and range of ions in solids[M]. New York: Pergamon, 1985: 1-45

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年就读于大连民族学院攻读学士学位，研究领域：材料辐照损伤

范红玉，E-mail: fanhy@dlnu.edu.cn

2013-10-22，

2013-11-13