Radiation-induced property changes in materials originate from the energy transfer from an incoming particle to the existing lattice, displacing atoms. The displaced atoms can cause the formation of extended defects including dislocation loops, voids, or precipitates. The non-equilibrium defects created during damage events determine the extent of these larger defects and are a function of dose rate, material, and temperature. However, these defects are transient and can only be probed indirectly. This work presents direct experimental measurements and evidence of irradiated non-equilibrium vacancy formation, where in situ positron annihilation spectroscopy was used to prove the generation of non-equilibrium defects in silicon.
REFERENCES
1.
F.
Schmidt
, P.
Hosemann
, R. O.
Scarlat
, D. K.
Schreiber
, J. R.
Scully
, and B. P.
Uberuaga
, Ann. Rev. Mater.
51
, 293
–328
(2021
). 2.
A. P. C.
Wyliem
, K. B.
Woller
, S. A. A.
Al Dajani
, B. R.
Dacus
, E. J.
Pickering
, M.
Preuss
, and M. P.
Short
, J. Appl. Phys.
132
, 045102
(2022
). 3.
H.
Kim
, M. R.
Chancey
, T.
Chung
, I.
Brackenbury
, M. O.
Liedke
, M.
Butterling
, E.
Hirschmann
, A.
Wagner
, J. K.
Baldwin
, B. K.
Derby
, N.
Li
, K. H.
Yano
, D. J.
Edwards
, Y.
Wang
, and F. A.
Selim
, Appl. Phys.
132
, 105901
(2022
). 4.
M.
Hong
, A. L.
Morales
, H. L.
Chan
, D. D.
Macdonald
, M.
Balooch
, Y.
Xie
, E.
Romanovskaia
, J. R.
Scully
, D.
Kaoumi
, and P.
Hosemann
, Appl. Phys.
132
, 185104
(2022
). 5.
D. J.
Bacon
and Y. N.
Osetsky
, Mater. Sci. Eng.: A
365
, 46
–56
(2004
). 6.
B. D.
Wirth
, M. J.
Caturla
, T. D.
De La Rubia
, T.
Khraishi
, and H.
Zbib
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
180
(1–4
), 23
–31
(2001
). 7.
J. S.
Robach
, I. M.
Robertson
, B. D.
Wirth
, and A.
Arsenlis
, Philos. Mag.
83
(8
), 955
–967
(2003
). 8.
H.
Wiedersich
, Radiat. Effects
12
(1-2
), 111
–125
(1972
). 9.
R. E.
Stoller
, Primary Radiation Damage Formation
, 1st ed.
(Elsevier Ltd
, Amsterdam
, 2019
), Chap. 1.10.
M. L.
Jenkins
, J. Nucl. Mater.
216
, 124
–156
(1994
). 11.
R.
Kerl
, J.
Wolff
, and T.
Hehenkamp
, Intermetallics
7
, 301
–308
(1999
). 12.
C.
Dimitrov
, M.
Tenti
, and O.
Dimitrov
, J. Phys. F: Met. Phys.
11
(4
), 753
–765
(1981
). 13.
A.
Persaud
, J. J.
Barnard
, H.
Guo
, P.
Hosemann
, S.
Lidia
, A. M.
Minor
, P. A.
Seidl
, and T.
Schenkel
, Phys. Proc.
66
, 604
–609
(2015
). 14.
D. J.
Sprouster
, C.
Sun
, Y.
Zhang
, S. N.
Chodankar
, J.
Gan
, and L. E.
Ecker
, Sci. Rep.
9
(1
), 1
(2019
). 15.
A.
Lupinacci
, K.
Chen
, Y.
Li
, M.
Kunz
, Z.
Jiao
, G. S.
Was
, M. D.
Abad
, A. M.
Minor
, and P.
Hosemann
, J. Nucl. Mater.
458
, 70
–76
(2015
). 16.
Q.
Yan
, J.
Gigax
, D.
Chen
, F. A.
Garner
, and L.
Shao
, J. Nucl. Mater.
480
, 420
–428
(2016
). 17.
R. W.
Siegel
, Ann. Rev. Mater Sci.
10
, 393
–425
(1980
). 18.
P.
Hautojärvi
, Positrons in Solids
, 1st ed.
(Springer-Verlag
, Berlin
, 1979
), pp. 491
–522
.19.
F. A.
Selim
, Mater. Charact.
174
, 110952
(2021
). 20.
M.
Clement
, J. M. M.
De Nijs
, P.
Balk
, H.
Schut
, and A.
Van Veen
, J. Appl. Phys.
79
, 9029
–9036
(1996
). 21.
M. O.
Liedke
, W.
Anwand
, R.
Bali
, S.
Cornelius
, M.
Butterling
, T. T.
Trinh
, A.
Wagner
, S.
Salamon
, D.
Walecki
, A.
Smekhova
, and H.
Wende
, J. Appl. Phys.
117
(16
), 163908
(2015
). 22.
A.
Wagner
, M.
Butterling
, M. O.
Liedke
, K.
Potzger
, and R.
Krause-Rehberg
, “Positron annihilation lifetime and Doppler broadening spectroscopy at the ELBE facility
,” AIP Conf. Proc.
1970
, 040003
(2018
). 23.
A.
Kinomura
, R.
Suzuki
, T.
Ohdaira
, N.
Oshima
, B. E.
O’Rourke
, and T.
Nishijima
, Phys. Proc.
35
, 111
–116
(2012
). 24.
A.
Kinomura
, R.
Suzuki
, T.
Ohdaira
, N.
Oshima
, B. E.
O'Rourke
, and T.
Nishijima
, J. Phys.: Conf. Ser.
443
(1
), 012043
(2013
). 25.
M. J.
Puska
and R. M.
Nieminen
, “Theory of positrons in solids and on solid surfaces
,” Rev. Mod. Phys.
66
(3
), 841
–897
(1994
). 26.
P.
Asoka-Kumar
and K. G.
Lynn
, Appl. Phys. Lett.
57
, 1634
–1636
(1990
). 27.
P. J.
Schultz
and K. G.
Lynn
, Rev. Mod. Phys.
60
(3
), 701
–779
(1988
). 28.
A. P.
Knights
, F.
Malik
, and P. G.
Coleman
, Appl. Phys. Lett.
75
(4
), 466
–468
(1999
). 29.
W.
Anwand
, G.
Brauer
, M.
Butterling
, H. R.
Kissener
, and A.
Wagner
, Defect Diffusion Forum
331
, 25
–40
(2012
). 30.
J. F.
Ziegler
, M. D.
Ziegler
, and J. P.
Biersack
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
268
(11–12
), 1818
–1823
(2010
). 31.
A.
Wagner
, W.
Anwand
, A. G.
Attallah
, G.
Dornberg
, M.
Elsayed
, D.
Enke
, A. E. M.
Hussein
, R.
Krause-Rehberg
, M. O.
Liedke
, K.
Potzger
, and T. T.
Trinh
, J. Phys.: Conf. Ser.
791
(1
), 012004
(2017
). 32.
E.
Hirschmann
, M.
Butterling
, U. H.
Acosta
, M. O.
Liedke
, A. G.
Attallah
, P.
Petring
, M.
Görler
, R.
Krause-Rehberg
, and A.
Wagner
, J. Instrum.
16
(8
), P08001
(2021
). 33.
J. V.
Olsen
, P.
Kirkegaard
, N. J.
Pedersen
, and M.
Eldrup
, Phys. Status Solidi C
4
(10
), 4004
–4006
(2007
). 34.
R.
Krause-Rehberg
and H. S.
Leipner
, Positron Annihilation in Semiconductors: Defect Studies (Springer, Berlin, 1999), p. 378.35.
F.
Tuomisto
and I.
Makkonen
, Rev. Mod. Phys.
85
(4
), 1583
–1631
(2013
). 36.
S.
Agarwal
, M. O.
Liedke
A. C. L.
Jones
, E.
Reed
, A. A.
Kohnert
, B. P.
Uberuaga
, Y. Q.
Wang
, J.
Cooper
, D.
Kaoumi
, N.
Li
, R.
Auguste
, P.
Hosemann
, L.
Capolungo
, D. J.
Edwards
, M.
Butterling
, E.
Hirschmann
, A.
Wagner
, and F. A.
Selim
, Sci. Adv.
6
(31
), eaba8437
(2020
). 37.
T. E. M.
Staab
, A.
Sieck
, M.
Haugk
, M. J.
Puska
, T.
Frauenheim
, and H. S.
Leipner
, Phys. Rev. B
65
(11
), 115210
(2002
). 38.
F. F.
Morehead
, B. L.
Crowder
, and R. S.
Title
, J. Appl. Phys.
43
(3
), 1112
–1118
(1972
). 39.
L.
Pelaz
, L. A.
Marqués
, and J.
Barbolla
, J. Appl. Phys.
96
(11
), 5947
–5976
(2004
). 40.
X.
Huang
, M.
Balooch
, T.
Xie
, S.
Leuber
, and P.
Hosemann
, J. Appl. Phys.
132, 025106 (2022
). 41.
P. G.
Coleman
, N. B.
Chilton
, and J. A.
Baker
, J. Phys.: Condens. Matter
2
(47
), 9355
–9361
(1990
). 42.
C. S.
Gorham
, K.
Hattar
, R.
Cheaito
, J. C.
Duda
, J. T.
Gaskins
, T. E.
Beechem
, J. F.
Ihlefeld
, L. B.
Biedermann
, E. S.
Piekos
, D. L.
Medlin
, and P. E.
Hopkins
, Phys. Rev. B
90
(2
), 024301
(2014
). 43.
M.
Hakala
, M. J.
Puska
, and R. M.
Nieminen
, Phys. Rev. B
57
, 7621
–7627
(1998
). 44.
S.
Mäkinen
, H.
Rajainmäki
, and S.
Linderoth
, Phys. Rev. B
42
(17
), 11166
–11173
(1990
). 45.
J. C. M.
Robles
, E.
Ogando
, and F.
Plazaola
, J. Phys.: Condens. Matter
19
(17
), 176222
(2007
). © 2023 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2023
Author(s)
You do not currently have access to this content.
