Лаборатория физики взаимодействия ионов и электронов с веществом

Руководитель лаборатории:

• д.ф.м.-н., профессор Титов Андрей Иванович

• д.ф.м.-н., профессор Карасев Платон Александрович
• д.ф.м.-н., профессор  Подсвиров Олег Алексеевич
• ассистент Соколова Дарья Арнольдовна
• аспирант, инженер Федоренко Елизавета Дмитриевна
• лаборант-исследователь Студзинский Виталий Михайлович
• аспирант, инженер Шестаков Сергей Андреевич

• Направления исследований
  • Модификация поверхностных свойств материалов пучками ускоренных атомарных и кластерных ионов в диапазоне энергий 15 – 350 кэВ;
  • Исследования процессов при облучении полупроводников и тонких пленок молекулярными и тяжелыми ионами;
  • Анализ методом резерфордовского обратного рассеяния быстрых ионов гелия (RBS & RBS/C analysis): распределений по глубине концентрации атомов тяжелых примесей в веществе, распределений по глубине структурных нарушений в монокристаллах, состава и толщины тонких пленок на поверхности;
  • Модификация материалов пучками электронов с энергиями 10 – 50 кэВ;
  • Изучение роли электронного облучения при создании нанокластеров и наночастиц в стеклах и оптических кристаллах, содержащих ионы различных металлов;
  • Исследования влияния условий создания и последующих тепловых и ионных воздействий на свойства тонких углеродных пленок;
  • Анализ топографии поверхности с помощью атомно-силовой сканирующей микроскопии.
• Используемое оборудование
  • Ионный имплантер, ускоритель тяжелых ионов HVEE-500 энергии 10-400 кэВ, ионы 1-250 а.е.м., дозы 10¹¹-10¹⁶ см²
  • Ускоритель электронов, сильноточный сканирующий электронный микроскоп фирмы JEBD-2, энергии до 50 кэВ
  • Резерфордовское обратное рассеяния (RBS), в том числе в сочетании с каналированием (RBS/C), ускоритель тяжелых ионов HVVE-500, He⁺⁺ 0.5-0.8 МэВ
  • Рентгеноструктурный анализ (XRD), дифрактометр D8 Advance Bruker с фокусировкой по Бреггу–Брентано
  • Сканирующая электронная микроскопия (SEM), микроскоп TESCAN MIRA3 c приставкой рентгеноспектрального микроанализа (EDX)
  • Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS), установка НаноФаб-25 производства НТ-МДТ с электронной пушкой SPECS FG20
  • Атомно-силовая микроскопия (AFM), микроскоп Nano — DST фирмы Pacific Nanotechnology с зондами NSG01 фирмы TipsNano
  • Профилометрия, профилометр Surfcom touch 50
  • ИК-Фурье спектроскопия (FTIR), спектрометры Shimadzu IRSpirit-X Series и VERTEX 80/80v Bruker
  • Спектроскопия комбинационного рассеяния света (Raman spectroscopy), спектрометр InVia Raman Renishaw
  • УФ и видимая спектрометрия (UV-visible), УВИ-спектрофотометр СФ-56 190-1100 нм
  • Сканирующий лазерный анализатор частиц, «Нанорефлекс CLSM»
  • Установка контроля толщины прозрачных тонких пленок, эллипсометр ES-2LED
  • Установка четырёхзондового измерения, ST2258C с зондами из карбида вольфрама
  • Оборудование фирмы SNOL для термического отжига до температур 1200С
  • Установка магнетронного напыления тонких пленок «Альфа Н1» с кварцевым контролем толщины
  • Установки термического напыления тонких пленок Oxford Instruments
  • Установка измерения эффекта Холла и транспортных свойств
  • Ультразвуковые ванные для очистки образцов
  • Доступ к технологиям литографии, жидкостного и сухого травления
  • Использование программных пакетов: SRIM, SIIMPL, RUMP, Lammps, COMSOL Multiphysics, Python, MATLAB
  • Моделирование методами Монте-Карло, молекулярной динамики (MD) и теории функционала плотности (DFT), в том числе с привлечением возможностей суперкомпьютерного центра СПбПУ СКЦ «Политехнический» (пиковая производительность 2.2 ТФлопс)

   

• Публикации

  Публикации можно посмотреть, перейдя по следующим ссылкам:

  СoLab

  ResearchGate

   

• Достижения

  Впервые в мире проведено систематическое исследование накопления радиационных дефектов в GaN при последовательном облучении ионами разных типов и ионами разных энергий. Показано, что образование дефектов в объёме кристалла определяется конкурирующим взаимодействием между радиационно-стимулированным отжигом и стабилизацией дефектов имплантированными атомами. Более того, баланс между этими двумя процессами зависит от вида имплантированного атома. В частности, для образцов, предварительно имплантированных ионами фтора, наблюдалось сильное усиление повреждений, приводящее к полной объемной аморфизации GaN, тогда как совместное облучение образцов, предварительно имплантированных ионами таких элементов, как неон, фосфор и аргон, приводило к уменьшению повреждений.

  Проведено сравнительное исследование радиационной стойкости нитрида галлия и альфа и бета оксидов галлия. Показано, что наибольшую радиационную стойкость имеет GaN, альфа политип несколько ему уступает, а скорость накопления дефектов в бета Ga₂O₃ гораздо выше, чем у остальных. Также подтвержден более ранний результат о насыщении уровня повреждений в β-Ga₂O₃ на уровне 90% от полной аморфизации. Показано, что скоростью накопления повреждений в этом материале можно управлять при помощи внутренних механических напряжений.

  Впервые в мире установлена корреляция между уровнем повреждения альфа и бета Ga2O3 в процессе ионно-лучевой обработки, фрактальной размерностью и плотностью индивидуальных каскадов смещений, формируемых ионами. Продемонстрирована определяющая роль плотности каскадов столкновений в накоплении структурных нарушений в этих материалах. Результаты данных расчётов позволяют предсказывать скорости роста поврежденного слоя у поверхности и накопления разупорядочения в объеме данных материалов на основе моделирования в приближении.

  Впервые обнаружен совершенно необычный промежуточный пик дефектов в альфа-оксиде галлия. Проанализированы условия возникновения данного пика, которые существенно отличаются от таковых для другого широкозонного полупроводника – оксида цинка, в котором ранее также наблюдался промежуточный пик.

  Помимо изучения радиационных процессов в широкозонных полупроводниках, выполнен цикл экспериментальных исследований по формированию покрытий облучением ионами фуллеренов С₆₀ с энергиями несколько кэВ. Показана возможность формирования разных типов покрытий и управления их свойствами путем варьирования энергии иона и температуры подложки. Для объяснения наблюдаемых явлений проведено моделирование взаимодействия ионов С₆₀ с поверхностью мишени методом молекулярной динамики. Разработан комплекс соответствующих методов проведения расчетов одиночных падений и кумулятивного набора дозы. Обнаружен экспериментально и объяснен на основе полученных модельных данных новый эффект – формирование глубокой канавки вдоль границы раздела облученной и исходной областей при облучении через твердую теневую маску.

  Разработаны методики синтеза благородных наночастиц как на поверхности подложек, в том числе термочувствительных подложках, включая полимерные материалы, а также в приповерхностной области диэлектрических подложек с помощью ионной бомбардировки и электронно-лучевой обработки.

• Сотрудничество
  • АО "НПП "ЭЛАР";
  • АО "ЦНИИ "ЭЛЕКТРОН";
  • Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН;
  • Физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова;
  • Санкт-Петербургский Академический университет им. Ж.И. Алферова;
  • Назарбаев Университет, Астана, Казахстан;
  • University of Petroleum and Energy, Dehradun, Uttarakhand, India;
  • Amity University, Uttar Pradesh, India;
  • University of Oslo, Oslo, Norway;
  • Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, USA;
  • Ashish Kumar, Inter-University Accelerator Centre, New Delhi, India;
  • University of Hyderabad, Hyderabad, India.