150 keV电子辐照下SiO2玻璃的性能及其缺陷演化规律

徐赛男

(哈尔滨师范大学)

0 引言

航天器是目前人类探索宇宙空间的有效工具.航天器上太阳电池玻璃盖片和大量的电子元器件都是使用SiO2材料制造的.已有研究结果表明，空间辐照环境下SiO2材料内部会产生微观缺陷从而使其光学和电学参数发生退化，直接影响航天器在轨工作的可靠性和服役寿命.系统地研究空间带电粒子辐照环境下SiO2的性能退化及辐照损伤微观缺陷演化规律显得尤为重要.

早在1956年Weeks等学者[1]就报道了中子辐照下SiO2会在其内部产生E′-center类型的色心，使SiO2玻璃内部结构发生变化，从而导致其光学性能退化.近些年来，国内外科学家对SiO2玻璃辐照后的性能尤为关注.先后用不同的辐照源对SiO2玻璃进行辐照试验研究，如质子、电子、重离子和综合辐射以及各种射线.2001年A.V.Gomonnai等学者[2]研究5～10 MeV电子照下电子通量、能量、辐照温度以及对退火对SiO2玻璃光学性能的影响.结果表明，随电子辐照剂量和能量的增加，会导致缺陷浓度增高，造成其光学性能下降.2007年F. H. Elbatal等学者[3]还研究了γ射线辐照下硼硅酸盐玻璃的辐照效应.辐照后，辐照诱导光学吸收带的强度增加，最后吸收带的变化幅度基本达到饱和.2008年肖中银等学者[4]主要研究高能粒子辐照下SiO2玻璃E′色心的形成机理.研究结果表明，在高能粒子辐照情况下,E′色心的形成包括两个过程,即色心的创造过程和色心的激活过程.色心的创造过程主要由SiO2网格中疲劳键的断裂形成或网格中氧移位形成.色心的激活过程主要由SiO2玻璃中固有点缺陷形成.2011年姜昊[5]分别用1 MeV电子、50 keV质子和170 keV质子辐照SiO2玻璃，并对光学特性进行研究.结果表明带电粒子的种类和能量都对SiO2玻璃的性能产生不同影响.综上所述，目前国内外在能量小于200 keV电子辐照下SiO2玻璃性能退化和辐照缺陷演化规律的影响还鲜有报道.

该文主要研究不同注量的150 keV电子辐照下SiO2玻璃光学性能和电学性能的变化规律，旨在揭示电子辐照下SiO2玻璃的辐照损伤机理.

1 试验样品与测试方法

试验样品为500 μm厚的平板SiO2玻璃，尺寸为20 mm×20 mm.辐照试验采用КИФК型空间辐照环境综合模拟设备，该设备可以综合模拟空间高真空环境、冷黑环境、温度循环场、波长为200～2500 nm的太阳电磁辐射以及30～200 keV质子和电子等多种辐照环境因素.该文使用电子辐照源单独辐照SiO2玻璃，电子能量为150 keV，注量分别为5×1014cm-2、1×1015cm-2和5×1015cm-2.辐照在室温下进行.

该文采用Perkin-Elmer公司Lambda950型紫外及可见光分光光度计分析SiO2玻璃辐照前后的光学性能，测量波长范围为200～2000 nm，步长为2nm.使用德国Bruke公司A200型电子顺磁共振谱仪(EPR)以及Nicolet公司Magna IR560型傅里叶变换红外光谱仪 (FTIR)进行SiO2玻璃辐照损伤微观缺陷分析.

使用Keithley 4200-SCS型半导体参数测试仪和ST2558B-F01型四探针探头测量SiO2玻璃的平均电阻.

2 结果与讨论

2.1 光学性能

为研究不同注量的电子辐照下SiO2玻璃光学性能变化的基本规律，该文测试分析SiO2玻璃的光谱透过率.图1是150keV电子辐照SiO2玻璃光谱透过率谱图.由图1可见，随着辐照注量的增加，SiO2玻璃的光谱透过率逐渐下降[6].导致SiO2玻璃透过率下降主要原因可能是辐照后SiO2玻璃内部产生缺陷.

图1 150keV电子辐照SiO2玻璃光谱透过率谱图

2.2 电子辐照SiO2玻璃的缺陷分析

图2 150 keV电子辐照SiO2玻璃电子顺磁共振图像 图3 150keV电子辐照SiO2玻璃的红外光谱图

SiO2玻璃是具有单一成分的非晶体材料，具有各向同性以及透明性等特性，结构上具有长程无序、短程有序的特点.采用150 keV电子辐照SiO2玻璃，在SiO2玻璃内部产生E′-center类型缺陷，随着辐照注量增加，SiO2玻璃内部的缺陷浓度也会随之增加[8].由于缺陷的存在，结构的有序性被扰动，虽然还有明显的能带和能隙，但是已经开始在能带边界处出现分立的能级.当缺陷浓度不断提高，长程有序性被打破，成为长程无序短程有序结构.而电子辐照后SiO2玻璃光学带隙发生变化，电子辐照导致光学带隙的增大.原因是电子辐照导致SiO2基态能级退化，SiO2玻璃中产生两个光学吸带.2014年田丰采用1.2 MeV高能电子辐照SiO2玻璃，其结果也导致SiO2玻璃光学带隙增大[9].研究表明电子辐照SiO2玻璃部分缺陷是SiO2玻璃本身形成的[10].在SiO2玻璃样品制造过程中产生的缺陷是不可避免的，决定电子辐照后缺陷的种类以及浓度.因此,材料本身固有缺陷也是决定辐照诱导光学透过率谱变化的重要因素之一.

2.3 电学性能分析

图4是不同注量的150 keV电子辐照下SiO2玻璃平均电阻的变化规律.由图4可见，随着辐照注量的增大样品平均电阻逐渐下降，导电性能逐渐增强.这主要是电子辐照过程中，向SiO2玻璃注入传导电子，使载流子浓度增加，导致SiO2玻璃导电性增强.另一方面可能是由于电子注入SiO2玻璃内部，使价带电子能量越来越大，电子就有可能越过禁带到导带上去，从而使绝缘体导电[11].

图4 150 keV电子辐照SiO2 玻璃的电学性能谱图

3 结束语

参 考 文 献

[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] 肖中银, 王廷云, 罗文芸, 等. 高能粒子辐照SiO2玻璃E′色心形成机理研究[J]. 物理学报, 2008, 57 (4) : 2273-2277.

[5] 姜昊. 带电粒子辐照对玻璃光学性能影响及辐照缺陷EPR分析[D]. 哈尔滨工业大学博士学位论文, 2011.29-44.

[6] 孙承月. 聚酰亚胺和超纯玻璃材料辐照自由基形成规律及损伤行为研究[D]. 哈尔滨工业大学博士学位论文，2012.2-16.

[7] 宋 银, 孟彦成, 张崇宏, 等. 重离子辐照通过能量损失产生发光色心的研究[J]. 发光学报, 2012, 33 (10) : 1049-1054.

[8] 马明旺, 陈西良, 杨康, 等. 高能铁离子辐照SiO2玻璃产生的缺陷研究[J]. 核技术, 2009, 32 (4) : 287-291.

[9] 田丰. 玻璃制备及其电子辐照效应的光学吸收谱研究[D]. 兰州大学硕士学位论文，2014.30-40.

[10] León M, Martín P, Ibarra A, Hodgson E R. Gamma irradiation induced defects in different types of fused silica[J]. Journal of Nuclear Materials, 2009, 386 (2) : 1034-1037.

[11] 蔡莉莉, 冯翠菊, 陈贵峰. 电子辐照对直拉硅单晶电学参数的影响[J]. 稀有金属, 2013, 37(1) : 82-86.