為研究單晶4H-SiC的輻照效應(yīng),在320℃采用10 dpa的Si²⁺輻照未預(yù)注入和預(yù)注入He⁺的單晶4H-SiC,之后通過拉曼光譜和納米壓痕實驗分別對輻照后的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進行研究。拉曼光譜顯示輻照后出現(xiàn)同核Si-Si鍵和同核C-C鍵,與Si-C鍵相關(guān)的E₂（TO）和A₁（LO）峰發(fā)生偏移并展寬,結(jié)晶度變差。納米壓痕的結(jié)果表明,Si²⁺輻照和He⁺+Si²⁺輻照后釘扎效應(yīng)導(dǎo)致4H-SiC硬度分別上升了25.35%和21.37%。由于4H-SiC發(fā)生膨脹導(dǎo)致彈性模量下降,其中氦泡導(dǎo)致He⁺+Si²⁺輻照后彈性模量下降更加明顯。 

【文章來源】：黑龍江科學(xué). 2020,11(12)

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【部分圖文】：

Si2+(a)和He+(b)輻照單晶4H－SiC的dpa和入射粒子濃度隨深度的變化Fig.1Depthvariationofdpaandincidentparticleconcentrationinsinglecrystal4H－SiC

鍵振動模式的4峰，分別表示石墨D峰和G峰的5峰和6峰，輻照導(dǎo)致的晶格畸變使4H－SiC的E2(TO)和A1(LO)峰的位置發(fā)生偏移。Si2+輻照和He++Si2+輻照的拉曼光譜與Si2+輻照無明顯差別。圖2無輻照、Si2+輻照和He++Si2+輻照三種條件下單晶4H－SiC的拉曼光譜Fig.2RamanSpectroscopyofsinglecrystal4H－SiCunderIrradiation，Si2+IrradiationandHe++Si2+Irradiation2.2納米壓痕實驗分析2.2.14H－SiC輻照后硬度分析圖3顯示了未輻照、Si2+輻照和He++Si2+輻照4H－SiC的硬度平均值與標(biāo)準(zhǔn)差隨壓入深度的變化曲線。由于壓頭尖端缺陷導(dǎo)致的測量硬度的實際變化，淺深度的數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的［13］。從圖3中可以看出，＞200nm后未輻照的4H－SiC硬度隨著壓入深度的增加而降低，這被稱為納米壓痕尺寸效應(yīng)。張勇等人在研究500K下氦離子注入單晶4H－SiC的納米硬度時觀察到了類似的現(xiàn)象［14］�？梢钥吹絊i2+輻照和He++Si2+輻照4H－SiC同樣存在著納米壓痕尺寸效應(yīng)，它們之間硬度存在的關(guān)系為:Si2+輻照＞He++Si2+輻照＞未輻照。圖3輻照前后單晶4H－SiC的硬度隨壓入深度的曲線Fig.3Hardnessvs.indentationdepthplotforsinglecrystal4H－SiCSiCbeforeandafterirradiation為解決納米壓痕尺寸效應(yīng)對硬度測量帶來的誤差，Nix和Gao等人提出樣品硬度H與壓痕深度h存在如下關(guān)系［15］:HH0=1+h*槡h其中:H硬度;h壓痕深度;H0壓痕深度無限大時的硬度極限;h*取決于壓頭形狀?

－1/h曲線的拐點接近取為1/hc=0.0021nm－1，即臨界壓痕深度hc=476.19nm。之后在hc內(nèi)應(yīng)用Nix－Gao模型得到的硬度依次為:Si2+輻照后硬度為39.67±0.93GPa，He++Si2+輻照后硬度為38.41±0.79GPa，無輻照情況下4H－SiC硬度為31.65±0.04GPa。相比于未輻照的4H－SiC，Si2+輻照和He++Si2+輻照后硬度分別上升了25.35%和21.37%。硅離子輻照后硬度上升是因為輻照產(chǎn)生的點缺陷和缺陷團簇限制了位錯的移動［13］，從而使硬度升高。圖4輻照前后4H－SiC的硬度的平方H2隨壓入深度的倒數(shù)1/h的曲線Fig.4H2vs.1/hofsinglecrystal4H－SiCbeforeandafterirradiationHarrison等人在400℃下用氦離子在輻照SiC達到2dpa時，觀察到氦泡［19］。Harrison等人的輻照參數(shù)與本研究He+輻照參數(shù)接近，因而預(yù)計He++Si2+輻照后存在He泡。而He泡導(dǎo)致孔隙率的上升會使硬度下降［20］，因而He++Si2+輻照后硬度低于Si2+輻照后硬度，但輻照缺陷的釘扎效應(yīng)仍然起到主導(dǎo)作用，使其硬度大于未輻照硬度。2.2.24H－SiC輻照后彈性模量分析圖5顯示了未輻照、Si2+輻照和He++Si2+輻照4H－SiC彈性模量的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差隨壓入深度的變化曲線。從圖5中可以看出，在200～580nm范圍內(nèi)，Si2+輻照彈性模量低于未輻照時，模量的降低與輻照導(dǎo)致SiC的膨脹相關(guān)［21］，大于580nm后Si2+輻照與未輻照彈性模量接近，這可能是未輻照層SiC襯底的作用。He++Si2+輻照后彈性模量下降程度更大。Os-borne［22

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