Радиационно-индуцированное сглаживание поверхности и структурная релаксация в облучённых электронами кристаллах ZnS и ZnSe
Radiation-induced surface smoothing and structural relaxation in electron-irradiated ZnS and ZnSe crystals

Дополнительно

Прислана: 17.06.2026; Принята: 14.08.2026; Опубликовано 11.09.2026;
Просмотры: 36; Загружено: 8

Как цитировать

М. Ю. Ташметов, Б. Н. Мадаминов "Radiation-induced surface smoothing and structural relaxation in electron-irradiated ZnS and ZnSe crystals" Natural Sci. Rev. 3 200804 (2026)
https://doi.org/10.54546/NaturalSciRev.200804
BibTex
М. Ю. Ташметов1, Б. Н. Мадаминов1,a
  • 1Институт ядерной физики АН Узбекистана, Ташкент, Узбекистан
  • amadaminov.b@inp.uz
DOI: 10.54546/NaturalSciRev.200804
Ключевые слова: кристалл ZnS, кристалл ZnSe, электронное облучение, сглаживание поверхности, шероховатость поверхности, структурная релаксация
Категории: Физика , Физика конденсированного состояния (эксперимент) , Физика конденсированного состояния (теория) , 70-летие ОИЯИ
PDF (Английский)

Аннотация

Исследована эволюция морфологии поверхности и структурных параметров кристаллов ZnS и ZnSe под воздействием высокоэнергетического электронного облучения с использованием феноменологического подхода к моделированию, основанного на экспериментально полученных данных о структурных и морфологических изменениях в зависимости от флюенса облучения. Анализ был сосредоточен на зависимости параметров шероховатости поверхности Ra и Rz, размера домена когерентности и параметра решётки от флюенса электронов в диапазоне 0–2.5·1017 электрон/см2. Установлено, что параметры шероховатости поверхности Ra и Rz уменьшаются по экспоненциальному закону, что свидетельствует о наличии процесса радиационно-индуцированного сглаживания поверхности. Предложено и аналитически решено феноменологическое кинетическое уравнение, описывающее релаксацию шероховатости как функцию электронного флюенса. Полученная модель демонстрирует, что скорость сглаживания пропорциональна избыточной шероховатости поверхности относительно предельного релаксированного состояния. В отличие от этого, размер домена когерентности в целом увеличивается с ростом флюенса, тогда как параметр решётки уменьшается почти линейно, что указывает на процессы радиационно-индуцированной структурной релаксации, уплотнения решётки и перераспределения дефектов. Сравнительный анализ кристаллов ZnS и ZnSe выявил различия в кинетике сглаживания и параметрах структурной эволюции, обусловленные различиями в подвижности дефектов и процессах радиационно-стимулированной релаксации. Выявлены корреляции между зависящим от флюенса изменением шероховатости поверхности и объёмными структурными параметрами, что свидетельствует о протекании одновременных морфологических и структурных изменений при электронном облучении. Предложенное феноменологическое описание служит основой для сопоставления этих откликов на облучение в кристаллах ZnS и ZnSe.

Поддерживающие организации

Исследование финансировалось Академией наук Республики Узбекистан в рамках программы научных исследований Института ядерной физики 2026 по проектам «Исследование структуры, динамики и особенностей внутренней структуры функциональных материалов, наносистем, геологических объектов и объектов культурного наследия» и «Оптимизация электрофизических и физико-механических свойств полупроводниковых соединений типа AIII–BV и AII–BVI с помощью терморадиационной технологии».

Библиографические ссылки

[1] S. Adachi, Properties of Semiconductor Alloys: Group-IV, III-V and II-VI Semiconductors, John Wiley & Sons, 2009. https://doi.org/10.1002/9780470744383.

[2] R. Triboulet, P. Siffert (Eds.), CdTe and Related Compounds: Physics, Defects, Hetero- and Nano-Structures, Crystal Growth, Surfaces and Applications, Elsevier, 2009.

[3] S. Adachi, T. Taguchi, Optical Properties of ZnSe, Physic Review B 43 (1991) 9569–9577. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.43.9569.

[4] D. D. Hile et al., Zinc Selenide Semiconductor: Synthesis, Properties and Applications, Nanoscale Compound Semiconductors and Their Optoelectronics Applications (2022) 67–84. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-824062-5.00001-4.

[5] M. Yu. Tashmetov, B. N. Madaminov, N. B. Ismatov, F. K. Khallokov, B. A. Abdikamalov, Structure, Morphology and Properties of ZnS Crystal Irradiated by Electrons of Different Fluences, International Journal of Modern Physics B 39 (2025) 2550103. https://doi.org/10.1142/S0217979225501036.

[6] K. Priya, G. K. Rao, V. K. Ashith, G. Sanjeev, V. P. Verma, V. C. Petwal, J. Dwivedi, The Effect of 8 MeV Electron Beam Irradiation on the Structural, Optical and Photoluminescence Properties of ZnS Thin Films, Ceramics International 45 (2019) 2576–2583. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.10.188.

[7] H. D. Dhaygude, S. K. Shinde, M. V. Takale, G. M. Lohar, M. C. Rath, V. J. Fulari, Effect of Electron Irradiation on Structural, Morphological and Photoluminescence Properties of ZnS Thin Films, Ceramics International 42 (2016) 10159–10164. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.03.129.

[8] M. Yu. Tashmetov, B. N. Madaminov, Structure and Morphology of Electron-Irradiated ZnSe, Radiation Effects and Defects in Solids 180 (2025) 1931–1942. https://doi.org/10.1080/10420150.2025.2509222.

[9] F. C. Rong, W. A. Barry, J. F. Donegan, G. D. Watkins, Vacancies, Interstitials, and Close Frenkel Pairs on the Zinc Sublattice of ZnSe, Physical Review B 54 (1996) 7779–7788. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.7779.

[10] G. J. Dienes, A. C. Damask, Radiation Enhanced Diffusion in Solids, Journal of Applied Physics 29 (1958) 1713–1721. https://doi.org/10.1063/1.1723032.

[11] S. G. Mayr, R. S. Averback, Surface Smoothing of Rough Amorphous Films by IrradiationInduced Viscous Flow, Physical Review Letters 87 (2001) 196106. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.196106.

[12] W. W. Mullins, Flattening of a Nearly Plane Solid Surface due to Capillarity, Journal of Applied Physics 30 (1959) 77–83. https://doi.org/10.1063/1.1734979.

[13] H. E. Bennett, J. O. Porteus, Relation between Surface Roughness and Specular Reflection at Normal Incidence, Journal of the Optical Society of America 51 (1961) 123–129. https://doi.org/10.1364/JOSA.51.000123.

[14] B. N. Madaminov, M. Yu. Tashmetov, Influence of High-Fluence Electron Irradiation on the Band Gap, Raman Spectra, and Microhardness of ZnSe, Physica Scripta 100 (2025) 055919. https://doi.org/10.1088/1402-4896/adc6cc.

[15] C. Klingshirn, Semiconductor Optics, 4th ed., Springer, Berlin, Germany, 2012. https://doi.org/10.1007/978-3-642-28362-8.

[16] S. Brunner, W. Puff, A. G. Balogh, P. Mascher, Radiation-Induced Defects in Electron and Proton Irradiated ZnS, Materials Research Society Symposium Proceedings 540 (1998) 213–218. https://doi.org/10.1557/PROC-540-213.

[17] M. Yu. Tashmetov, N. B. Ismatov, R. P. Saidov, Sh. M. Makhkamov, Radiation Treatment Complex on the Base of the Electronics U 003 Electron Accelerator, Problems of Atomic Science and Technology 5 (2017) 91–94.

[18] M. Yu. Tashmetov, Kh. Djangabaev, Study of Radiation-Induced Effects in GaAs(O):Cr under 2 MeV Electron Irradiation Using Raman, FTIR and Hall Effect Measurements, Physica Scripta 100 (2025) 125918. https://doi.org/10.1088/1402-4896/ae26ef.

[19] J. Rodriguez-Carvajal, FULLPROF: A Program for Rietveld Refinement and Pattern Matching Analysis, Abstracts of the Satellite Meeting on Powder Diffraction of the XV Congress of the IUCr, Toulouse, France, 1990, p. 127.

[20] A. L. Patterson, The Scherrer Formula for X-Ray Particle Size Determination, Physical Review 56 (1939) 978–982. https://doi.org/10.1103/PhysRev.56.978.

[21] M. Tashmetov, A. Abdaminov, K. Djangabaev, O. Tolbanov, N. Ismatov, The Study of Structure, Electrophysical, Physicomechanical and Optical Properties of GaAs with Oxygen Impurities and Doped Chromium, Physica B: Condensed Matter 713 (2025) 417377. https://doi.org/10.1016/j.physb.2025.417377.

[22] G. K. Williamson, R. E. Smallman, Dislocation Densities in Some Annealed and Cold-Worked Metals from Measurements on the X-Ray Debye–Scherrer Spectrum, Philosophical Magazine 1 (1956) 34–46. https://doi.org/10.1080/14786435608238074.

[23] A. R. Stokes, A. J. C. Wilson, The Diffraction of X-Rays by Distorted Crystal Aggregates — I, Proceedings of the Physical Society 56 (1944) 174–181. https://doi.org/10.1088/0959-5309/56/3/303.

[24] G. J. Dienes, G. H. Vineyard, Radiation Effects in Solids, Interscience Publishers, New York, 1957.

[25] M. Yu. Tashmetov, A. V. Belushkin, B. N. Madaminov, M. B. Tagaev, Physical Mechanisms of Structural, Morphological, and Property Changes in ZnS and ZnSe under Electron Irradiation, Journal of Physics: Condensed Matter 38 (2026) 055703. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ae3b84.

[26] M. A. Nicolet, Diffusion Barriers in Thin Films, Thin Solid Films 52 (1978) 415–443. https://doi.org/10.1016/0040-6090(78)90184-0.

[27] H. Trinkaus, B. N. Singh, Helium Accumulation in Metals During Irradiation — Where Do We Stand?, Journal of Nuclear Materials 323 (2003) 229–242. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2003.09.001.

[28] W. Liu, Y. Ji, P. Tan, H. Zang, C. He, D. Yun, C. Zhang, Z. Yang, Irradiation Induced Microstructure Evolution in Nanostructured Materials: A Review, Materials 9 (2016) 105. https://doi.org/10.3390/ma9020105.

[29] M. J. Berger, J. S. Coursey, M. A. Zucker, J. Chang, ESTAR, PSTAR, and ASTAR: Computer Programs for Calculating Stopping-Power and Range Tables for Electrons, Protons, and Helium Ions, NIST Standard Reference Database 124, National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.18434/T4NC7P.