Coulomb spike model of radiation damage in wide band-gap insulators

禁制帯の広い不導体における放射線損傷のクーロンスパイク模型

Costantini, J.-M.*; 小川 達彦   

Costantini, J.-M.*; Ogawa, Tatsuhiko

本研究では、不導体材料における放射線照射損傷の発生メカニズムを、クーロンスパイク法に基づいて説明する理論を構築した。ほぼ同じ密度(2.65)を持つフッ化リチウムと二酸化ケイ素を標的とし、ほぼ同じLETを持つ核子辺り1MeVのNiイオンとKrイオンを照射した場合について、PHITSの飛跡構造解析機能ITSARTとETS-for-Siを用いて電離の空間分布を計算し、電離(カチオン)の間に生じる静電気エネルギーを推定した。この静電気エネルギーが運動エネルギー、ひいては標的中の熱に変換されると仮定すると、二酸化ケイ素の中では、運動するカチオンの核的衝突によって付与される熱で、結晶の溶融が発生することを説明できた。また、フッ化リチウムではフォノンが付与される熱を受け取るが、それが十分でないため溶融に至らないことを説明できた。実験的な観測によると、二酸化ケイ素でのみ溶融後の冷却によって生じたと思われるアモルファス相が見られることから、本研究の理論解析は実験的事実と符合する妥当なものと判断される。

A novel Coulomb spike concept is applied to the radiation damage induced in LiF and SiO with about the same mass density (2.65 g cm) by Ni and Kr ions of 1.0-MeV/u energy for about the same electronic energy loss (10 MeV/um). The distribution of ionizations and electrostatic energy gained in the electric field by the ionized atoms is computed with the PHITS code for both targets. Further, the atomic collision cascades induced by these low energy hot ions of about 500 eV are simulated with the SRIM2013 code. It is found that melting is reached in a small volume for SiO due to the energy deposition in the subthreshold events of nuclear collisions induced by the Si and O ions. For LiF, the phonon contribution to the stopping power of the lighter Li and F ions is not sufficient to induce melting, even though the melting temperature is lower than for SiO. The formation of amorphous domains in SiO is likely after fast quenching of the small molten pockets, whereas only point defects may be formed in LiF.