Si 2+ /He + 离子辐照对单晶4H-SiC力学性能的影响
发布时间：2021-08-10 11:34
为研究单晶4H-SiC的辐照效应,在320℃采用10 dpa的Si2+辐照未预注入和预注入He+的单晶4H-SiC,之后通过拉曼光谱和纳米压痕实验分别对辐照后的微观结构和力学性能进行研究。拉曼光谱显示辐照后出现同核Si-Si键和同核C-C键,与Si-C键相关的E2（TO）和A1（LO）峰发生偏移并展宽,结晶度变差。纳米压痕的结果表明,Si2+辐照和He++Si2+辐照后钉扎效应导致4H-SiC硬度分别上升了25.35%和21.37%。由于4H-SiC发生膨胀导致弹性模量下降,其中氦泡导致He++Si2+辐照后弹性模量下降更加明显。
【文章来源】：黑龙江科学. 2020,11(12)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
Si2+(a)和He+(b)辐照单晶4H－SiC的dpa和入射粒子浓度随深度的变化Fig.1Depthvariationofdpaandincidentparticleconcentrationinsinglecrystal4H－SiC
键振动模式的4峰，分别表示石墨D峰和G峰的5峰和6峰，辐照导致的晶格畸变使4H－SiC的E2(TO)和A1(LO)峰的位置发生偏移。Si2+辐照和He++Si2+辐照的拉曼光谱与Si2+辐照无明显差别。图2无辐照、Si2+辐照和He++Si2+辐照三种条件下单晶4H－SiC的拉曼光谱Fig.2RamanSpectroscopyofsinglecrystal4H－SiCunderIrradiation，Si2+IrradiationandHe++Si2+Irradiation2.2纳米压痕实验分析2.2.14H－SiC辐照后硬度分析图3显示了未辐照、Si2+辐照和He++Si2+辐照4H－SiC的硬度平均值与标准差随压入深度的变化曲线。由于压头尖端缺陷导致的测量硬度的实际变化，浅深度的数据是不准确的［13］。从图3中可以看出，＞200nm后未辐照的4H－SiC硬度随着压入深度的增加而降低，这被称为纳米压痕尺寸效应。张勇等人在研究500K下氦离子注入单晶4H－SiC的纳米硬度时观察到了类似的现象［14］。可以看到Si2+辐照和He++Si2+辐照4H－SiC同样存在着纳米压痕尺寸效应，它们之间硬度存在的关系为:Si2+辐照＞He++Si2+辐照＞未辐照。图3辐照前后单晶4H－SiC的硬度随压入深度的曲线Fig.3Hardnessvs.indentationdepthplotforsinglecrystal4H－SiCSiCbeforeandafterirradiation为解决纳米压痕尺寸效应对硬度测量带来的误差，Nix和Gao等人提出样品硬度H与压痕深度h存在如下关系［15］:HH0=1+h*槡h其中:H硬度;h压痕深度;H0压痕深度无限大时的硬度极限;h*取决于压头形状?
－1/h曲线的拐点接近取为1/hc=0.0021nm－1，即临界压痕深度hc=476.19nm。之后在hc内应用Nix－Gao模型得到的硬度依次为:Si2+辐照后硬度为39.67±0.93GPa，He++Si2+辐照后硬度为38.41±0.79GPa，无辐照情况下4H－SiC硬度为31.65±0.04GPa。相比于未辐照的4H－SiC，Si2+辐照和He++Si2+辐照后硬度分别上升了25.35%和21.37%。硅离子辐照后硬度上升是因为辐照产生的点缺陷和缺陷团簇限制了位错的移动［13］，从而使硬度升高。图4辐照前后4H－SiC的硬度的平方H2随压入深度的倒数1/h的曲线Fig.4H2vs.1/hofsinglecrystal4H－SiCbeforeandafterirradiationHarrison等人在400℃下用氦离子在辐照SiC达到2dpa时，观察到氦泡［19］。Harrison等人的辐照参数与本研究He+辐照参数接近，因而预计He++Si2+辐照后存在He泡。而He泡导致孔隙率的上升会使硬度下降［20］，因而He++Si2+辐照后硬度低于Si2+辐照后硬度，但辐照缺陷的钉扎效应仍然起到主导作用，使其硬度大于未辐照硬度。2.2.24H－SiC辐照后弹性模量分析图5显示了未辐照、Si2+辐照和He++Si2+辐照4H－SiC弹性模量的平均值与标准差随压入深度的变化曲线。从图5中可以看出，在200～580nm范围内，Si2+辐照弹性模量低于未辐照时，模量的降低与辐照导致SiC的膨胀相关［21］，大于580nm后Si2+辐照与未辐照弹性模量接近，这可能是未辐照层SiC衬底的作用。He++Si2+辐照后弹性模量下降程度更大。Os-borne［22
【参考文献】：
期刊论文
[1]高温气冷堆的发展与前景[J]. 高立本,沈健. 中国核工业. 2016(10)
[2]连续SiC纤维增韧SiC基体复合材料研究进展[J]. 丁冬海,周万城,张标,罗发,朱冬梅. 硅酸盐通报. 2011(02)
[3]氦离子注入4H-SiC晶体的纳米硬度研究[J]. 张勇,张崇宏,周丽宏,李炳生,杨义涛. 物理学报. 2010(06)
[4]用拉曼光谱研究碳纤维的结构[J]. 贺福. 高科技纤维与应用. 2005(06)
博士论文
[1]熔盐堆中辐照损伤对SiC力学性能和熔盐腐蚀性能影响的研究[D]. 李健健.中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) 2017
[2]聚变堆用铁基结构材料的辐照损伤[D]. 刘平平.北京科技大学 2015
[3]陶瓷涂层及含纤维陶瓷界面相C/C复合材料的微观力学性能[D]. 龙莹.中南大学 2012
硕士论文
[1]单晶6H-SiC和4H-SiC的离子辐照效应研究[D]. 吴哲超.哈尔滨工业大学 2018
[2]SiC材料的氦离子辐照损伤研究[D]. 杜洋洋.中国科学院研究生院（近代物理研究所） 2015
[3]TRISO包覆燃料颗粒放射性核素的产生及安全性分析[D]. 尹文静.中国科学院研究生院（上海应用物理研究所） 2014
本文编号：3333987
【文章来源】：黑龙江科学. 2020,11(12)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
Si2+(a)和He+(b)辐照单晶4H－SiC的dpa和入射粒子浓度随深度的变化Fig.1Depthvariationofdpaandincidentparticleconcentrationinsinglecrystal4H－SiC
键振动模式的4峰，分别表示石墨D峰和G峰的5峰和6峰，辐照导致的晶格畸变使4H－SiC的E2(TO)和A1(LO)峰的位置发生偏移。Si2+辐照和He++Si2+辐照的拉曼光谱与Si2+辐照无明显差别。图2无辐照、Si2+辐照和He++Si2+辐照三种条件下单晶4H－SiC的拉曼光谱Fig.2RamanSpectroscopyofsinglecrystal4H－SiCunderIrradiation，Si2+IrradiationandHe++Si2+Irradiation2.2纳米压痕实验分析2.2.14H－SiC辐照后硬度分析图3显示了未辐照、Si2+辐照和He++Si2+辐照4H－SiC的硬度平均值与标准差随压入深度的变化曲线。由于压头尖端缺陷导致的测量硬度的实际变化，浅深度的数据是不准确的［13］。从图3中可以看出，＞200nm后未辐照的4H－SiC硬度随着压入深度的增加而降低，这被称为纳米压痕尺寸效应。张勇等人在研究500K下氦离子注入单晶4H－SiC的纳米硬度时观察到了类似的现象［14］。可以看到Si2+辐照和He++Si2+辐照4H－SiC同样存在着纳米压痕尺寸效应，它们之间硬度存在的关系为:Si2+辐照＞He++Si2+辐照＞未辐照。图3辐照前后单晶4H－SiC的硬度随压入深度的曲线Fig.3Hardnessvs.indentationdepthplotforsinglecrystal4H－SiCSiCbeforeandafterirradiation为解决纳米压痕尺寸效应对硬度测量带来的误差，Nix和Gao等人提出样品硬度H与压痕深度h存在如下关系［15］:HH0=1+h*槡h其中:H硬度;h压痕深度;H0压痕深度无限大时的硬度极限;h*取决于压头形状?
－1/h曲线的拐点接近取为1/hc=0.0021nm－1，即临界压痕深度hc=476.19nm。之后在hc内应用Nix－Gao模型得到的硬度依次为:Si2+辐照后硬度为39.67±0.93GPa，He++Si2+辐照后硬度为38.41±0.79GPa，无辐照情况下4H－SiC硬度为31.65±0.04GPa。相比于未辐照的4H－SiC，Si2+辐照和He++Si2+辐照后硬度分别上升了25.35%和21.37%。硅离子辐照后硬度上升是因为辐照产生的点缺陷和缺陷团簇限制了位错的移动［13］，从而使硬度升高。图4辐照前后4H－SiC的硬度的平方H2随压入深度的倒数1/h的曲线Fig.4H2vs.1/hofsinglecrystal4H－SiCbeforeandafterirradiationHarrison等人在400℃下用氦离子在辐照SiC达到2dpa时，观察到氦泡［19］。Harrison等人的辐照参数与本研究He+辐照参数接近，因而预计He++Si2+辐照后存在He泡。而He泡导致孔隙率的上升会使硬度下降［20］，因而He++Si2+辐照后硬度低于Si2+辐照后硬度，但辐照缺陷的钉扎效应仍然起到主导作用，使其硬度大于未辐照硬度。2.2.24H－SiC辐照后弹性模量分析图5显示了未辐照、Si2+辐照和He++Si2+辐照4H－SiC弹性模量的平均值与标准差随压入深度的变化曲线。从图5中可以看出，在200～580nm范围内，Si2+辐照弹性模量低于未辐照时，模量的降低与辐照导致SiC的膨胀相关［21］，大于580nm后Si2+辐照与未辐照弹性模量接近，这可能是未辐照层SiC衬底的作用。He++Si2+辐照后弹性模量下降程度更大。Os-borne［22
【参考文献】：
期刊论文
[1]高温气冷堆的发展与前景[J]. 高立本,沈健. 中国核工业. 2016(10)
[2]连续SiC纤维增韧SiC基体复合材料研究进展[J]. 丁冬海,周万城,张标,罗发,朱冬梅. 硅酸盐通报. 2011(02)
[3]氦离子注入4H-SiC晶体的纳米硬度研究[J]. 张勇,张崇宏,周丽宏,李炳生,杨义涛. 物理学报. 2010(06)
[4]用拉曼光谱研究碳纤维的结构[J]. 贺福. 高科技纤维与应用. 2005(06)
博士论文
[1]熔盐堆中辐照损伤对SiC力学性能和熔盐腐蚀性能影响的研究[D]. 李健健.中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) 2017
[2]聚变堆用铁基结构材料的辐照损伤[D]. 刘平平.北京科技大学 2015
[3]陶瓷涂层及含纤维陶瓷界面相C/C复合材料的微观力学性能[D]. 龙莹.中南大学 2012
硕士论文
[1]单晶6H-SiC和4H-SiC的离子辐照效应研究[D]. 吴哲超.哈尔滨工业大学 2018
[2]SiC材料的氦离子辐照损伤研究[D]. 杜洋洋.中国科学院研究生院（近代物理研究所） 2015
[3]TRISO包覆燃料颗粒放射性核素的产生及安全性分析[D]. 尹文静.中国科学院研究生院（上海应用物理研究所） 2014
本文编号：3333987
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