徐賽男

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

航天器是目前人類探索宇宙空間的有效工具.航天器上太陽電池玻璃蓋片和大量的電子元器件都是使用SiO2材料制造的.已有研究結(jié)果表明，空間輻照環(huán)境下SiO2材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微觀缺陷從而使其光學(xué)和電學(xué)參數(shù)發(fā)生退化，直接影響航天器在軌工作的可靠性和服役壽命.系統(tǒng)地研究空間帶電粒子輻照環(huán)境下SiO2的性能退化及輻照損傷微觀缺陷演化規(guī)律顯得尤為重要.

早在1956年Weeks等學(xué)者[1]就報(bào)道了中子輻照下SiO2會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生E′-center類型的色心，使SiO2玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其光學(xué)性能退化.近些年來，國內(nèi)外科學(xué)家對(duì)SiO2玻璃輻照后的性能尤為關(guān)注.先后用不同的輻照源對(duì)SiO2玻璃進(jìn)行輻照試驗(yàn)研究，如質(zhì)子、電子、重離子和綜合輻射以及各種射線.2001年A.V.Gomonnai等學(xué)者[2]研究5～10 MeV電子照下電子通量、能量、輻照溫度以及對(duì)退火對(duì)SiO2玻璃光學(xué)性能的影響.結(jié)果表明，隨電子輻照劑量和能量的增加，會(huì)導(dǎo)致缺陷濃度增高，造成其光學(xué)性能下降.2007年F. H. Elbatal等學(xué)者[3]還研究了γ射線輻照下硼硅酸鹽玻璃的輻照效應(yīng).輻照后，輻照誘導(dǎo)光學(xué)吸收帶的強(qiáng)度增加，最后吸收帶的變化幅度基本達(dá)到飽和.2008年肖中銀等學(xué)者[4]主要研究高能粒子輻照下SiO2玻璃E′色心的形成機(jī)理.研究結(jié)果表明，在高能粒子輻照情況下,E′色心的形成包括兩個(gè)過程,即色心的創(chuàng)造過程和色心的激活過程.色心的創(chuàng)造過程主要由SiO2網(wǎng)格中疲勞鍵的斷裂形成或網(wǎng)格中氧移位形成.色心的激活過程主要由SiO2玻璃中固有點(diǎn)缺陷形成.2011年姜昊[5]分別用1 MeV電子、50 keV質(zhì)子和170 keV質(zhì)子輻照SiO2玻璃，并對(duì)光學(xué)特性進(jìn)行研究.結(jié)果表明帶電粒子的種類和能量都對(duì)SiO2玻璃的性能產(chǎn)生不同影響.綜上所述，目前國內(nèi)外在能量小于200 keV電子輻照下SiO2玻璃性能退化和輻照缺陷演化規(guī)律的影響還鮮有報(bào)道.

該文主要研究不同注量的150 keV電子輻照下SiO2玻璃光學(xué)性能和電學(xué)性能的變化規(guī)律，旨在揭示電子輻照下SiO2玻璃的輻照損傷機(jī)理.

1 試驗(yàn)樣品與測(cè)試方法

試驗(yàn)樣品為500 μm厚的平板SiO2玻璃，尺寸為20 mm×20 mm.輻照試驗(yàn)采用КИФК型空間輻照環(huán)境綜合模擬設(shè)備，該設(shè)備可以綜合模擬空間高真空環(huán)境、冷黑環(huán)境、溫度循環(huán)場(chǎng)、波長為200～2500 nm的太陽電磁輻射以及30～200 keV質(zhì)子和電子等多種輻照環(huán)境因素.該文使用電子輻照源單獨(dú)輻照SiO2玻璃，電子能量為150 keV，注量分別為5×1014cm-2、1×1015cm-2和5×1015cm-2.輻照在室溫下進(jìn)行.

該文采用Perkin-Elmer公司Lambda950型紫外及可見光分光光度計(jì)分析SiO2玻璃輻照前后的光學(xué)性能，測(cè)量波長范圍為200～2000 nm，步長為2nm.使用德國Bruke公司A200型電子順磁共振譜儀(EPR)以及Nicolet公司Magna IR560型傅里葉變換紅外光譜儀 (FTIR)進(jìn)行SiO2玻璃輻照損傷微觀缺陷分析.

使用Keithley 4200-SCS型半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀和ST2558B-F01型四探針探頭測(cè)量SiO2玻璃的平均電阻.

2 結(jié)果與討論

2.1 光學(xué)性能

為研究不同注量的電子輻照下SiO2玻璃光學(xué)性能變化的基本規(guī)律，該文測(cè)試分析SiO2玻璃的光譜透過率.圖1是150keV電子輻照SiO2玻璃光譜透過率譜圖.由圖1可見，隨著輻照注量的增加，SiO2玻璃的光譜透過率逐漸下降[6].導(dǎo)致SiO2玻璃透過率下降主要原因可能是輻照后SiO2玻璃內(nèi)部產(chǎn)生缺陷.

圖1 150keV電子輻照SiO2玻璃光譜透過率譜圖

2.2 電子輻照SiO2玻璃的缺陷分析

圖2 150 keV電子輻照SiO2玻璃電子順磁共振圖像 圖3 150keV電子輻照SiO2玻璃的紅外光譜圖

SiO2玻璃是具有單一成分的非晶體材料，具有各向同性以及透明性等特性，結(jié)構(gòu)上具有長程無序、短程有序的特點(diǎn).采用150 keV電子輻照SiO2玻璃，在SiO2玻璃內(nèi)部產(chǎn)生E′-center類型缺陷，隨著輻照注量增加，SiO2玻璃內(nèi)部的缺陷濃度也會(huì)隨之增加[8].由于缺陷的存在，結(jié)構(gòu)的有序性被擾動(dòng)，雖然還有明顯的能帶和能隙，但是已經(jīng)開始在能帶邊界處出現(xiàn)分立的能級(jí).當(dāng)缺陷濃度不斷提高，長程有序性被打破，成為長程無序短程有序結(jié)構(gòu).而電子輻照后SiO2玻璃光學(xué)帶隙發(fā)生變化，電子輻照導(dǎo)致光學(xué)帶隙的增大.原因是電子輻照導(dǎo)致SiO2基態(tài)能級(jí)退化，SiO2玻璃中產(chǎn)生兩個(gè)光學(xué)吸帶.2014年田豐采用1.2 MeV高能電子輻照SiO2玻璃，其結(jié)果也導(dǎo)致SiO2玻璃光學(xué)帶隙增大[9].研究表明電子輻照SiO2玻璃部分缺陷是SiO2玻璃本身形成的[10].在SiO2玻璃樣品制造過程中產(chǎn)生的缺陷是不可避免的，決定電子輻照后缺陷的種類以及濃度.因此,材料本身固有缺陷也是決定輻照誘導(dǎo)光學(xué)透過率譜變化的重要因素之一.

2.3 電學(xué)性能分析

圖4是不同注量的150 keV電子輻照下SiO2玻璃平均電阻的變化規(guī)律.由圖4可見，隨著輻照注量的增大樣品平均電阻逐漸下降，導(dǎo)電性能逐漸增強(qiáng).這主要是電子輻照過程中，向SiO2玻璃注入傳導(dǎo)電子，使載流子濃度增加，導(dǎo)致SiO2玻璃導(dǎo)電性增強(qiáng).另一方面可能是由于電子注入SiO2玻璃內(nèi)部，使價(jià)帶電子能量越來越大，電子就有可能越過禁帶到導(dǎo)帶上去，從而使絕緣體導(dǎo)電[11].

圖4 150 keV電子輻照SiO2 玻璃的電學(xué)性能譜圖

3 結(jié)束語

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Weeks R A. Paramagnetic resonance of lattice defects in irradiated quartz[ J]. Journal of Applied Physics, 1956, 27 (11) : 1376-1381.

[2] Gomonnai A, Azhniuk Y M, Goyer D, et al. Optical studies of alkali borosilicate glass irradiated with high-enery electrons[J]. Journal of Optoelect ronics and Advanced Materials, 2001, 3(1) : 37-44.

[3] Efflatal F, Selim M, Marzouk S, et al. UV-vis absorption of the transition metal-doped SiO2-B2O3-Na2O glasses[J]. Physica B Physics of Condensed Matter, 2007, 398(1) : 126-134.

[4] 肖中銀, 王廷云, 羅文蕓, 等. 高能粒子輻照SiO2玻璃E′色心形成機(jī)理研究[J]. 物理學(xué)報(bào), 2008, 57 (4) : 2273-2277.

[5] 姜昊. 帶電粒子輻照對(duì)玻璃光學(xué)性能影響及輻照缺陷EPR分析[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文, 2011.29-44.

[6] 孫承月. 聚酰亞胺和超純玻璃材料輻照自由基形成規(guī)律及損傷行為研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2012.2-16.

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[9] 田豐. 玻璃制備及其電子輻照效應(yīng)的光學(xué)吸收譜研究[D]. 蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.30-40.

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[11] 蔡莉莉, 馮翠菊, 陳貴峰. 電子輻照對(duì)直拉硅單晶電學(xué)參數(shù)的影響[J]. 稀有金屬, 2013, 37(1) : 82-86.