Ядерно-физические методы и физические свойства наноструктур

В 2023 году по теме 8.4 ”Ядерно-физические методы и физические свойства наноструктур” проведены работы по синтезу, теоретическому и экспериментальному исследования свойств наноматериалов, используя, в том числе, ядерно-физические методы. Исследованы микромагнитные явления в многослойных структурах спинтронной сенсорики, методом ферромагнитного резонанса исследованы эффекты СВЧ затухания в многослойных структурах спинтроники с обменным смещением, исследованы корреляции между морфологией поверхности и магнитными свойствами многослойных тонкопленочных структур, зависимости магнитосопротивления от шероховатости поверхности структур спинтроники. Исследовано формирование коллоидных растворов наночастиц в результате импульсной лазерной абляции (ИЛА) тонких пленок Co под действием пикосекундных лазерных импульсов в дистиллированной воде. Использовались пленки, предварительно нанесенные на стеклянные подложки методом магнетронного распыления в атмосфере аргона, с толщинами в диапазоне 5–500 нм. Показана возможность управления средним размером наночастиц, получаемых методом ИЛА тонких пленок кобальта, в пределах 80–1000 нм при варьировании толщин мишеней. Все изготовленные коллоидные растворы наночастиц демонстрировали отклик к приложенному внешнему постоянному магнитному полю. Рассмотрен процесс формирования первичных точечных дефектов без учета их диффузии и рекомбинации в облученном материале. Получено, что дефекты в облученном материале начинаются образовываться, когда в столкновениях начинают доминировать упругие столкновения. Источниками этих дефектов являются как первичный ион, так и выбитые атомы мишени, упругие столкновения которых с другими атомами могут привести к образованию каскада атомных столкновений. Исследованы закономерности распределения дефектов по глубине слоя облученной быстрым ионами мишени из кремния, в зависимости от массы и энергии ионов, а также от угла падения. Получено, что плотность распределения дефектов достигает максимума на глубине, которая зависит от энергии и массы иона. Эта глубина уменьшается с увеличением угла падения из-за многократного рассеяния первичных ионов в поверхностных слоях мишени. С увеличением массы иона максимальная плотность дефектов увеличивается по степенному закону. Асимметрия максимума в распределении дефектов по глубине связана с увеличением упругих потерь энергии при замедлении иона и уменьшением коэффициента прохождения ионов при увеличении глубины слоя. Проведено сравнение метода Монте-Карло с детерминистическими методами на основе решения транспортного уравнения и методом молекулярной динамики. Преимущества метода Монте-Карло состоят в возможности использования комбинации различных теоретических моделей упругих и неупругих взаимодействий в широком диапазоне энергии, а также возможности задания практически неограниченного количества материалов в рамках трехмерной геометрии с многоуровневой иерархией, что позволяет задавать сложные объекты типа целого космического аппарата или активной зоны реактора. Проанализированы возможности часто используемых программ общего назначения (SRIM, PENELOPE, MCNP, FLUKA и GEANT4) для моделирования методом Монте-Карло процессов прохождения частиц через вещество. Обсуждаются возможные направления дальнейшего развития метода Монте-Карло. Выполнен анализ воздействия высокоэнергетических протонов космического излучения на бортовую электронику космического аппарата. Показано, что протоны могут вызывать ядерные реакции с атомными ядрами материала электроники. Остаточные ядра, образующиеся в результате ядерной реакции, обладают достаточно высокой энергией для пересечения чувствительных областей нескольких битов электроники, а высокая ионизирующая способность ядерных фрагментов позволяет сгенерировать избыточный заряд носителей, превышающий критический заряд для реализации сбоя одновременно в нескольких битах электронного устройства. Разработаны и созданы стенды для испытания материалов на ударную стойкость. Выполнено моделирование диамагнетизма алмаза, кремния и германия из первых принципов. Алмаз, кремний и германий являются широко используемыми технологическими материалами, электронные структуры которых табулированы и очень хорошо изучены. Однако, детальная картина различных диамагнитных вкладов и их частичная компенсация парамагнитными вкладами остается в значительной степени неизученной, особенно на уровне ab initio, из-за сложности этой проблемы. В нашем исследовании, основанном на моделировании электронной зонной структуры из первых принципов, все возможные магнитные вклады, включая диамагнетизм Ланжевена (Лармора) и парамагнетизм Ван Флека анализируются количественно. Вклад Ван Флека был адаптирован для расчетов зонной структуры путем интегрирования по 𝑘-точкам. Также получены и подробно обсуждены парциальные диамагнитные вклады остовных и валентных электронов. Из всех вкладов только один, а именно: ланжевеновский диамагнетизм валентных электронов, остается плохо определенным количественно из-за межузельного вклада. В работе обсуждаются возможные подходы к распределению этого вклада между соседними узлами кристалла, основанные на Бадеровском разделении зарядов и введении области обедненной электронной плотности, исключенной из интегрирования. При различных предположениях для распределения межузельной области мы обнаружили, что магнитные восприимчивости алмаза, кремния и германия лежат в пределах -13,4/-9,3, -4,7/-4,0 и -8,4/-8,8 (объемные значения, в единицах 10-7) соответственно. В целом это согласуется с имеющимися экспериментальными значениями, хотя численная неопределенность обычно достигает десятков процентов. Обнаружена новая гексагональная фаза Лавеса высокого давления соединения YbZn2. Исследовано новое метастабильное соединение гексагональной фазы Лавеса YbZn2, синтезированное при высоких давлениях и температурах. Определены параметры элементарной ячейки, низкотемпературный коэффициент Зоммерфельда и температура Дебая. Исследования поглощения рентгеновских лучей и проведены расчеты, основанные на динамической теории среднего поля (DMFT). YbZn2 классифицируется как соединение промежуточной валентностью со средней валентностью Yb 2,55. Значения сверхтонких электрических параметров в позициях Zn (6h) определялись с помощью дифференциально-временных возмущенных угловых корреляций 111Cd и теоретических расчетов. Расчеты DMFT показали, что основной вклад в плотность электронных состояний на уровне Ферми вносят 4f-электроны Yb, тогда как spd-электроны Zn лежат значительно ниже по энергии. Обнаружено аномальное время жизни позитронов в монокристалле полуметалла Вейля CoSi. Времена жизни аннигиляции позитронов измерялись с использованием источника позитронов 48V в нецентросимметричных кубических монокристаллах CoSi, FeSi и MnSi. Следующие времена жизни были определены из временных спектров аннигиляции позитронов: 168(1) пс для CoSi, 114(1) пс для FeSi и 111(1) пс для MnSi. Для монокристаллического CoSi время аннигиляции позитронов также определялось с помощью источника позитронов 22Na. Для CoSi времена жизни, полученные от разных источников позитронов, согласуются. Различия во временах жизни аннигиляции позитронов в MnSi и FeSi, с одной стороны, и вейлевском полуметалле CoSi, с другой стороны, возможно, обусловлены образованием связанного состояния позитрон + электрон (позитроний). Исследовано распыление и обратное рассеяние частиц при бомбардировке твердых тел ионами средних энергий (1-20 кэВ) методами компьютерного моделирования. При теоретическом изучении угловых и энергетических распределений обратно рассеянных частиц важно знать функцию распределения отраженных частиц по пробегам (PLDF). Экспериментально получить ее не представляется возможным. Разработана компьютерная программа для расчета пробегов частиц в поверхностных слоях твердого тела при различной геометрии рассеяния. Расчет проводился методом Монте Карло (МК) с использованием экранированных кулоновских потенциалов для аморфной мишени с учетом и без учета электронного торможения. Результаты использованы с целью уточнения параметров недавно разработанной аналитической теории отражения, основанной на решении транспортного уравнения методом инвариантного погружения. Программы компьютерного моделирования распыления сложны и не всегда приводят к согласующимся результатам. Так, недавно разработанная программа PAOLA дает коэффициенты распыления Y при скользящих углах бомбардировки, которые могут многократно превышать значения Y при нормальном падении пучка, что противоречит результатам других МК расчетов. Детальный анализ вычислительного алгоритма программы PAOLA показал, что это связано с игнорированием затенения атомов при рассеянии падающих частиц поверхностью и увеличением вероятности жестких столкновений в поверхностных слоях атомов. С целью тестирования различных моделей ядерного и электронного торможения проведен МК расчет угловых и энергетических зависимостей коэффициентов отражения протонов средних энергий для ряда металлических и полупроводниковых материалов. Исследовано влияние микро и наноструктуры и параметров высокодозного ионного облучения на модификацию поверхности углеродных материалов. Экспериментально исследовано, модифицирование микро и наноструктуры поверхности искусственных графитоподобных материалов: углеродного волокна из полиакрилонитрила и вискозы, высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ) и стеклоуглерода высокодозным облучением ионами инертных газов и водорода с энергией от единиц до десятков кэВ при температуре облучения от комнатной до 600оС. Найдены условия формирования на поверхности углеродных волокон из полиакрилонитрила наноразмерных вискероподобных структур и гофрирования. Формирование вискероподобных структур связано с меньшим чем для гофрирования уровнем радиационных смещений на поверхности углеродного волокна. Экспериментальное исследование воздействия высокодозного облучения облучений ионами гелия и аргона на поверхность углеродного волокна из полиакрилонитрила и вискозы, ВОПГ и стеклоуглерода показало, что ионно-индуцированная морфология поверхности сильно зависит как от типа углеродного материала, так и от сорта бомбардирующих ионов и может быть трёх типов в виде гладкой поверхности, стеночных или вискероподобных структур (от сотен нм, до сотен мкм в зависимости от температуры и энергии ионов) и гофрированных структур. Найденные закономерности связываются с различными для разных условий облучения профилями радиационных нарушений, приводящих к ионно-индуцированным размерным изменениям, механическим напряжениям и их пластической релаксации. Исследованы эффекты ионно-лучевой эрозии при высокодозном ионном облучении наноструктурных металлов. Экспериментально исследовано воздействие ионного облучения на наноструктурную медь, никель, вольфрам и титан. Найдено, что высокодозное облучение ионами аргона с энергией 30 кэВ приводит к образованию равномерно распределенных конусов на поверхности наноструктурных металлов. Показано, что ионно-лучевая модификация поверхностного слоя наноструктурного никеля и вольфрама блокирует рост зерен при отжиге. Облучение наноструктурной меди, никеля и титана показало, что концентрация и высота конусов на поверхности определяются размером зерен в объеме металла. Экспериментально измеренный коэффициент распыления слабо зависит от размера зерен и типа рельефа на поверхности. Поверхность наноструктурированного титанового образца с конусной морфологией поверхности, в отличие от гладкой поверхности титана, обладает антибактериальными свойствами. Исследования с помощью флуоресцентной микроскопии показали, что бактерии кишечной палочки (E. coli) не скапливались на ней. Изучалось влияние протонного облучения на характеристики катодолюминесценции пленок GaN толщиной 4 мкм, нанесенных на подложку Al2O3. Было показано, что имплантация протонов с различными флюенсами значительно изменяет спектр катодолюминесценции, в частности, увеличение флюенса приводит к резкому подавлению катодолюминесценции, что может быть связано с уменьшением числа центров люминесценции в GaN (собственных и примесных дефектов) вследствие их объединения в дефектные комплексы. Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии определен химический состав поверхности и степени окисления пленки европия на титане (Eu/Ti). Изучена структура спектров РФЭС валентных и остовных электронов поверхности пленки гафния на подложке (пленке) из титана. Найдено, что на поверхности пленки Eu образуется сложный оксид EuOx, а также присутствуют OH и CO группы. Эти группы в значительной степени удаляются с поверхности образца в результате ее травления ионами Ar+. Установлена корреляция параметров структуры спектров Eu 5s-, 4d-, 4s-, 3d-электронов с химическим состоянием европия на поверхности. Однородность по составу и толщине определялась ионно-пучковыми методами. Изучена структура спектров РФЭС валентных и остовных электронов поверхности пленки гафния на подложке из титана. Предложена модель возникновение сложной структуры в спектре РФЭС Hf 4p- электронов в виде взаимодействия конечных состояний, возникающих в результате фотоэмиссии. Исследовано влияние энергии налетающих частиц, переданной атомам мишени, на разрушение структуры графенового покрытия, осажденного на медную фольгу. Проводилось облучение, исследование структуры мишеней методом комбинационного рассеяния света, моделирование потерь энергии налетающими ионами при взаимодействии с атомами мишени. Было показано, что основным механизмом разрушения графенового покрытия в процессе облучения является упругое взаимодействие налетающих частиц с атомами мишени. Исследовались образцы полидиметилсилоксана (ПДМС) и клетки клеточной линии HEK-293. Проводились эксперименты по модифицированию поверхности ПДМС пучками атомарных и кластерных ионов. Были получены результаты об улучшении условий для клеточной адгезии на поверхности ПДМС при предварительной обработке этой поверхности пучком атомарных ионов аргона, также получены данные об образующемся при ионном облучении микрорельефе на поверхности образцов. Изучалось влияние ионного облучения на свойства многостенных углеродных нанотрубок, и влияние радиационно-индуцированных дефектов их структуры на антибактериальную активность в отношении кишечной палочки (E. coli). Результаты позволяют предположить, что облученные МУНТ могут быть альтернативным антимикробным материалом для борьбы с инфекционными бактериями. Продолжены работы по изучению радиационных дефектов, возникающих в металлических системах. Проведены рентгено-дифракционные исследования фольг тугоплавких металлов Mo и Та, имплантированных ионами 57Fe с энергией 1 МэВ. Показано, что имплантация атомов Fe не оказывает заметного влияния на параметры решетки. Обнаружено, что облучение ведет к уширению дифракционных рефлексов и уменьшению размеров кристаллических зерен. Определено, что фольги Mo и Ta сильно текстурированы с ориентацией кристаллографических плоскостей {100} в плоскости фольги. Облучение ионами Fe не оказывает заметного влияния на текстуру. Однако последующий отжиг при температуре 700° С ослабляет текстуру с облученной стороны для фольг Mo и Ta, при этом не оказывая влияния на текстуру необлученной стороны. Восстановлены экспериментальные методики и аппаратура для Мессбауэровской спектроскопии с регистрацией электронов конверсии (метод КЭМС) и вторичного рентгеновского излучения (метод Х-МС). Метод КЭМС позволяет получать информацию о поверхностном слое толщиной ≈ 0.5 мкм, а метод Х-МС о слое толщиной около 10 мкм. Закуплен мощный мессбауэровский источник 57Co в Ph активностью 50 мКюри. Проведены мессбауэровские исследования влияние облучения на окислы железа Fe3O4 и Fe2O3. Облучение ионами Fe c энергией 5.6 МэВ и флюенсом 1014 ионов/см2 проводилось на ускорители ИТЭФ. Спектры, полученные методом КЭМС, показывают образование на поверхности облученного кристалла магнетита окисных фаз FeO. В то же время в спектрах Х-МС эти фазы незаметны. Проведены мессбауэровские исследования керамики делафоссита CuCrO2, легированной 2% атомов 57Fe. Спектры измерены при температурах 80К -300К. Проведены мессбауэровские исследования 7 минералов Турмалина из месторождений Чукотки. Проведена оценка валентности атомов Fe.