5.1 Sự phõn tớch bức xạ của vật rắn
5.1.1 Cỏc quỏ trỡnh hoỏ lý
Cũng giống như đối với mọi thể của vật chất, như thể khớ, thể lỏng, quỏ trỡnh chủ yếu diễn ra khi bức xạ tỏc dụng với thể rắn là quỏ trỡnh ion hoỏ và kớch thớch. Tuy nhiờn, cú một sự khỏc biệt là trong nhiều trường hợp cũn cú thể xảy ra quỏ trỡnh phỏ vỡ cấu trỳc hoặc tạo thành cỏc khuyết tật. Việc hỡnh thành cỏc khuyết tật cú ảnh hưởng rất lớn tới tớnh chất vật lý và hoỏ lý của vật rắn bị chiếu xạ.
Năng lượng dịch chuyển
Sự dịch chuyển của nguyờn tử diễn ra chủ yếu do va chạm đàn hồi. Thụng thường đối với mỗi loại vật liệu, tồn tại một năng lượng ngưỡng Edc nào đú, khi nguyờn tử nhận được năng lượng E ≥ Edc thỡ cú sự dịch chuyển ra khỏi nỳt mạng. Edc do đú gọi là năng lượng dịch chuyển. Về thực chất, đú là động năng nhỏ nhất của nguyờn tử khi bứt khỏi nỳt mạng. Nú phụ thuộc vào bản chất của vật liệu và khối lượng của nguyờn tử, cú giỏ trị nằm trong khoảng từ 5
đến 80 eV. Bảng 5.1 giới thiệu giỏ trị Edc đối với một số vật liệu.
Bảng 5.1
Giỏ trị Edc đối với một số vật liệu
Vật liệu Edc, eV Al Cu Ag Fe Si Kim cương Graphit NaCl InSb 32 22 28 24 20,4 80 25 – 40 7,8 (Cl) 5,7 – 6,4(In); 6,6 – 6, 9(Sb)
Năng lượng ngưỡng tạo khuyết tật
Theo định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng, để dịch chuyển cỏc nguyờn tử ra khỏi nỳt mạng, năng lượng của bức xạ bắn vào phải đạt tới một ngưỡng nào đú. Năng lượng này gọi là năng lượng ngưỡng Eng.
50
Bảng 5.2
Năng lượng Eng của electron đối với một số vật liệu
Vật liệu Eng, eV Ge Si InSb CdS ZnTe MgO BeO NaCl 370 215 240(In) 290 – 400(Sb) 290(Cd) 115(S) 110–235(Zn) 300(Te) 330(O) 400(O) 290 – 320 (Cl)
Thời gian tạo khuyết tật
Sự dịch chuyển của nguyờn tử xảy ra rất nhanh. Chẳng hạn đối với sắt Edc= 24 eV, khi
đú vận tốc của nú đạt tới 9.1ì105 cm.s-1 và khoảng thời gian nú đi được quóng đường bằng
hằng số mạng (~ 0.2nm) là t ~ 2.2ì10-14 s. Núi chung, quỏ trỡnh dịch chuyển của nguyờn tử
được thực hiện trong khoảng thời gian l = 10-14 ữ 10-13s.
Sự phỏ huỷ của cấu trỳc
Sự phỏ huỷ của cấu trỳc được chia thành hai nhúm: 1) nhúm cỏc khuyết tật điểm và 2) nhúm cỏc khuyết tật cú kớch thước. Nhúm thứ nhất bao gồm lỗ trống, nguyờn tử ngoài nỳt, nguyờn tử tạp, tõm màu. Nhúm khuyết tật thứ hai bao gồm biến vị, dịch chuyển, khoang trống v.v…
5.1.1.1 Khuyết tật điểm
Lỗ trống
Lỗ trống xuất hiện khi nguyờn tử hoặc ion rời khỏi vị trớ của nỳt mạng. Lỗ trống cú thể là cation (khi ion dương rời vị trớ) hoặc anion (khi ion õm rời vị trớ). Một cặp lỗ trống anion và cation gọi là khuyết tật Shottky (Hỡnh 5.1).
Cỏc lỗ trống cú ảnh hưởng rất lớn tới tớnh chất vật lý của kim loại: thay đổi độ dẫn, thay
đổi mật độ v.v...
Hỡnh 5.1
51
Nguyờn tử ngoài nỳt
Nguyờn tử ngoài nỳt là những nguyờn tử rời khỏi vị trớ của chỳng trong tinh thể nhưng lại khụng chiếm một vị trớ nỳt mạng nào cả, mà nằm ở đõu đú giữa nỳt mạng. Trờn nguyờn tắc
loại khuyết tật này cú thể là nguyờn tử của vật chủ, hoặc nguyờn tử của tạp chất. Như vậy khi chiếu xạ đồng thời xuất hiện cỏc nguyờn tử ngoài nỳt mạng và lỗ trống. Một cặp khuyết tật như vậy gọi là khuyết tật Frenkel.
Dịch chuyển tầng
Nguyờn tử ngoài nỳt chủ yếu xuất hiện trong quỏ trỡnh tương tỏc của cỏc hạt nặng mang
điện, ion gia tốc, mảnh phõn hạch, nơtron… Trong cỏc trường hợp này, năng lượng truyền
cho nguyờn tử dịch chuyển cú thể đạt tới hàng chục - hàng trăm keV, nghĩa là lớn hơn rất nhiều so với Eng. Với năng lượng đú nguyờn tử dịch chuyển (hay núi đỳng hơn là cỏc ion) là những hạt được gia tốc. Khi chuyển động trong chất rắn, chỳng gõy ra quỏ trỡnh ion húa và kớch thớch cỏc nguyờn tử khỏc trờn đường đi tạo ra một sự dịch chuyển thỏc hay dịch chuyển tầng, cho tới khi chỳng dừng hẳn (Hỡnh 5.2).
Bức xạ gamma và electron nhanh cũng cú thể tạo ra sự dịch chuyển của nguyờn tử. Tuy nhiờn, cỏc nguyờn tử dịch chuyển cú năng lượng tương đối thấp và khụng cú khả năng tạo ra cỏc dịch chuyển tiếp theo hay núi cỏch khỏc là khụng tạo ra được cỏc dịch chuyển tầng. Chớnh vỡ vậy, hiệu ứng tổng của bức xạ gamma và electron nhanh để tạo ra cỏc nguyờn tử ngoài nỳt nhỏ hơn vài bậc so với hiệu ứng của nơtron và cỏc hạt nặng mang điện.
Khuyết tật dưới ngưỡng
Trong thực tế, cú thể xuất hiện cỏc nguyờn tử dịch chuyển ở năng lượng nhỏ hơn Eng. Cú thể giải thớch hiện tượng này như sau: do kết quả của sự ion húa của cỏc lớp vỏ điện tử bờn trong của tinh thể, cỏc chuyển tiếp Auger cú một xỏc suất nào đú, sau đú sẽ xảy ra sự trao đổi
điện tớch của ion (Hỡnh 5.3). Ở vào trạng thỏi tĩnh điện khụng bền vững, do tương tỏc
Coulomb và dao động nhiệt, ion cú thể bị đẩy ra khỏi nỳt mạng. Cơ chế này gọi là cơ chế Varly.
52
Hỡnh 5.3
Cơ chế tạo khuyết tật dưới ngưỡng
Nguyờn tử tạp
Nguyờn tử tạp trong chất rắn được tạo ra do kết quả của quỏ trỡnh phõn hạch hạt nhõn nguyờn tử hoặc cỏc biến đổi hạt nhõn khỏc, cũng như bằng quỏ trỡnh chậm dần của cỏc hạt bắn phỏ. Việc tạo ra cỏc nguyờn tử tạp cú một ý nghĩa quan trọng trong trường hợp chất bỏn dẫn, trong đú sự cú mặt của cỏc tạp chất với một lượng rất nhỏ cũng ảnh hưởng tới tớnh chất điện ly của chất bỏn dẫn. Quỏ trỡnh này được ứng dụng rộng rói trong thực tế, đặc biệt là quỏ trỡnh cấy ion.
Cỏc tõm màu
Đõy là loại khuyết tật của mạng tinh thể hấp thụ ỏnh sỏng trong một vựng phổ mà khụng
cú trong phổ hấp thụ của tinh thể. Thoạt đầu người ta gọi cỏc tõm màu là cỏc lỗ trống anion sau khi đó chiếm đoạt một số electron. Hiện nay tõm màu được coi là một khuyết tật điểm bất kỳ hấp thụ ỏnh sỏng khụng nằm trong phổ hấp thụ của bản thõn tinh thể
Khuyết tật phức
Khi cỏc khuyết tật điểm tương tỏc với cỏc nguyờn tử tạp cú thể tạo ra cỏc khuyết tật phức.
Lỗ trống
Khi chiếu xạ rất lõu, cú thể xuất hiện một quần thể cỏc khuyết tật điểm gồm từ 2, 3 hoặc nhiều hơn cỏc lỗ trống. Quần thể này khụng bền vững so với cỏc khuyết tật đơn lẻ. Loại
khuyết tật này tạo ra cỏc lỗ hổng và rất đặc trưng cho quỏ trỡnh chiếu nơtron đối với kim loại và hợp kim.
5.1.1.2 Khuyết tật cú kớch thước
Khuyết tật cú kớch thước là loại khuyết tật chiếm một khụng gian cú kớch thước cỡ vài khoảng cỏch giữa cỏc nguyờn tử. Cú thể phõn ra một số loại khuyết tật như sau:
Khuyết tật biến vị
Khuyết tật biến vị là những tuyến mà dọc theo nú hay ở gần nú, cấu trỳc hai chiều thụng thường của nguyờn tử bị phỏ vỡ.
Chẳng hạn một nguyờn tử đồng nhận một năng lượng 20 keV, nú sẽ thoỏt vị và di chuyển một khoảng 1000nm. Trờn khoảng cỏch đú cú vài nghỡn nguyờn tử đồng khỏc, mỗi nguyờn tử nhận được khoảng 3eV. Năng lượng này vượt quỏ năng lượng núng chảy. Quỏ trỡnh giải
53 phúng năng lượng diễn ra rất nhanh trong khoảng 10-11 - 10-12s, vật chất bị nguội đi cũng rất nhanh. Quỏ trỡnh núng chảy và nguội đi làm dịch chuyển tất cả cỏc nguyờn tử trong phạm vi gần đú và tạo ra cỏc khuyết tật biến vị.
Khuyết tật bọt khớ
Đú là cỏc khuyết tật đặc biệt dưới dạng những khoang rỗng chứa đầy khớ. Nú được tạo ra
khi xảy ra cỏc phản ứng hạt nhõn với sản phẩm ở dạng khớ. Vớ dụ:
6Li(n, α)T, 10B(n, α)7Li, 25Mg(n, α)22Ne ...
Những bọt khớ hờli như trờn cú thể làm thay đổi đỏng kể cỏc tớnh chất cơ học của chất rắn. Chỳng là nguyờn nhõn của hiện tượng phồng rộp của cỏc thanh nhiờn liệu hạt nhõn (sản phẩm phõn hạch là cỏc loại khớ xenon, kripton ... ) hoặc tớnh rũn của kim loại và hợp kim.