Study of the Effect of Radiation Exposure on Grain Size and Mechanical Properties of Thin-Film Aluminum

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

For the first time, an experimental dependence of the grain size and mechanical properties of a thin-film aluminum material on the dose of short-wave radiation has been obtained. A thin film of aluminum was formed on a silicon substrate using magnetron sputtering. The effect of a decrease in mechanical strength and biaxial elastic modulus with increasing radiation dose was identified. This effect is explained by a decrease in grain size and roughness on a thin-film aluminum membrane. For the microscopically measured range of aluminum grain sizes, the inverse Hall-Petch relation is used. During the research, it was determined that during irradiation the number of grain boundaries and the number of grains themselves increases, which leads to an increase in the likelihood of deformation.

Full Text

Restricted Access

About the authors

N. A. Dyuzhev

National Research University of Electronic Technology (MIET)

Author for correspondence.
Email: bubbledouble@mail.ru
Russian Federation, Zelenograd, Moscow, 124498

E. E. Gusev

National Research University of Electronic Technology (MIET)

Email: bubbledouble@mail.ru
Russian Federation, Zelenograd, Moscow, 124498

E. O. Portnova

National Research University of Electronic Technology (MIET)

Email: bubbledouble@mail.ru
Russian Federation, Zelenograd, Moscow, 124498

M. A. Makhiboroda

National Research University of Electronic Technology (MIET)

Email: bubbledouble@mail.ru
Russian Federation, Zelenograd, Moscow, 124498

References

  1. V. Udintsev, “Radiation-resistant ICs. Spaceward and Earth Reliability,” Elektronika: Nauka Tekhn. Biznes, No. 5, 72–77 (2007).
  2. G.D. Denim, P.P. Kim, and N.A. Dyuzhev, “Simulation of MEMS Performance Characteristics of a Dynamic Mask Element with an Electromechanical Optical Shutter for X-ray Nanolithography,” in Proc. of XXVI Symposium “Nanophysics and Nanoelectronics” Nizhnii Novgorod, 2022, Vol. 1 (Nizhegorodsk. Gos. Univ. Im Lobachevskogo, 2022), pp. 543–544 [in Russian].
  3. N.V. Kuznetsov, “Cross-section of single random failures of VLSI under the influence of heavy charged particles,” Vopr. Atom. Nauki Tekhn. Ser.: Fiz. Radiats. Vozd. Elektron. Apparat., No. 1–2, 52–55 (2007). https://henke.lbl.gov/ (29.05.2023).
  4. N .A. Dyuzhev, E.E. Gusev, and M.A. Makhiboroda, “Study of the mechanical properties of thin-film membranes made of oxide and silicon nitride,” Mech. Solids 57, 1044–1053 (2022). https://doi.org/10.3103/S002565442205017X
  5. Sf. M.G. Mueller, M. Fornabaio, G. Zagar, and A. Mortensen, “Microscopis strength of silicon partiсles in an aluminium-silicon alloy,” Acta Mater. 105, 165–175 (2016). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.12.006
  6. Y.Y. Lim, M. Chaudhri, and Yuji Enomoto, “Accurate determination of the mechanical properties of thin aluminum films deposited on sapphire flats using nanoindentations,” J. Mater. Res. 14, 2314–2327 (1999). https://doi.org/10.1557/JMR.1999.0308
  7. R. Nabbi and J. Wolters, “Investigation of radiation damage in the aluminum structures of the German FRJ-2 research reactor,” in Proc. of 8th Meeting of the Int. Group on Research Reactor: IGORR8, Munich, Germany, 17–20 April 2001 (Munich, 2001), pp. 237–243 https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/36/026/36026552.pdf
  8. M. Khan et al., “A Study of the Structural and Surface Morphology and Photoluminescence of Ni-Doped AlN Thin Films Grown by Co-Sputtering,” Nanomater. 12 (21), 3919 (2022). https://doi.org/10.3390/nano12213919
  9. S.S. Quek, et al., “The inverse hall–petch relation in nanocrystalline metals: A discrete dislocation dynamics analysis,” J. Mech. Phys. Solids 88, 252–266 (2016). https://doi.org/10.1016/j.jmps.2015.12.012
  10. A.L. Kozlovskii, T. Yu. Gladkikh, and M.V. Zdorovets, “Radiation defects in aluminum nitride under irradiation with low-energy C2+ ions,” High Energy Chem. 53, 143–146 (2019). https://doi.org/10.1134/S0018143919020097
  11. Seong-Hyun Hwang, Kie Yatsu, Dong-Ho Lee, et al., “Effects of Al2O3 surface passivation on the radiation hardness of IGTO thin films for thin-film transistor applications,” Appl. Surf. Sci. 578, 152096 (2022). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.152096
  12. I.I. Ovchinnikov, I.V. Ovchinnikov, M. Yu. Bogina, et al., “Influence of radiation environments on mechanical characteristics of materials and behavior of constructions (review),” Internet-Zh. Naukoved., No. 4, 110ТВН412 (2012). https://naukovedenie.ru/PDF/110tvn412.pdf
  13. N.V. Kuznetsov an, G.G. Solovyov, Radiation Resistance of Silicon (Energoatomizdat, Moscow, 1989) [in Russian].
  14. A.A. Lebedev, A.M. Ivanov, and N.B. Strokan, “Radiation hardness of SiC and nuclear radiation detectors based on the SiC films,” Fiz. Tekh. Poluprovodnik. 38 (2), 129–150 (2004).
  15. A.A. Mohamad and K. Farrokh, “Evaluation of the radiation damage effect on mechanical properties in Tehran research reactor (TRR) clad,” Nucl. Eng. Technol. 52 (12), 2975–2981 (2020). https://doi.org/10.1016/j.net.2020.05.028
  16. Radiation Effects in Eaterials, Ed. by W.A. Monteiro (InTech, 2016). https://doi.org/10.5772/61498

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Technological route

Download (80KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Image of the fabricated crystals

Download (158KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Depiction of the membrane in the side view

Download (309KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of mechanical strength on irradiation dose, where the triangle denotes literature data and the rhombuses denote data obtained during experiments for this work. On the x-axis - D - irradiation dose measured in Mrad, on the y-axis - σ - mechanical strength measured in GPa

Download (51KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependence of the biaxial modulus of elasticity on the irradiation dose, where the triangle denotes the literature data and the squares denote the data obtained during the experiments for this work. On the x-axis - D - irradiation dose measured in Mrad, on the y-axis - E/(1-μ) - biaxial elastic modulus measured in GPa

Download (47KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Grain size analysis: (a) - SEM photograph; (b) - analysis result for 0 Mrad dose

Download (367KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependence of grain size and roughness on irradiation dose. On the x-axis - D - irradiation dose measured in Mrad, on the main axis y - S - grain size measured in nanometres on the auxiliary axis y - Ra - surface roughness measured in nanometres

Download (58KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Change in the number of intergrain boundaries: (a) - before irradiation; (b) - after irradiation

Download (64KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».