Оценка эффективной толщины слоя изотопа никель-63 для кремниевого бета-электрического преобразователя в Geant4 Текст научной статьи по специальности «Физика»

3. Rasskazov I. L., Karpov S. V., Markel V. A. Nondecaying surface plasmonpolaritons in linear chains of silver nanospheroids // Optics Letters. 2013. Vol. 38. P. 4743-4746.

4. Rasskazov I. L., Karpov S. V., Markel V. A. Surface plasmonpolaritons in curved chains of metal nanoparticles // Physical Review B. 2014. Vol. 90. P. 075-405.

5. Panasyuk G. Y., Schotland J. C., Markel V. A. Short-distance expansion for the electromagnetic halfspace Green's tensor: general results and an application to radiative lifetime computations // Journal of Physics A. 2009. Vol. 42. P. 275-203.

© Закомирный В. И., Рассказов И. Л., Ершов А. Е., Полютов С. П., Карпов С. В., 2015

УДК 621.382

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОЙ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ ИЗОТОПА НИКЕЛЬ-63 ДЛЯ КРЕМНИЕВОГО БЕТА-ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В GEANT4*

П. В. Зеленков, В. Г. Сидоров, А. Ю. Хорошко, Е. Т. Лелеков, А. Т. Лелеков*

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: *[email protected]

Для оптимизации параметров микромощного радиационно-стимулированного источника питания рассчитано распределение скорости генерации электронно-дырочных пар в кремнии в системе GEANT4. Определена эффективная толщина слоя изотопа и максимально возможный КПД генерации электронно-дырочных пар.

Ключевые слова: никель-63, радиационно-стимулированный источник питания, бета-электрический преобразователь, p-i-n переход, GEANT4.

EFFECTIVE NI-63 ISOTOPE LAYER THICKNESS ESTIMATION FOR SILICON

BETA-ELECTRICAL CELL

P. V. Zelenkov, V. G. Sidorov, A. Ju. Khoroshko, E. T. Lelekov, A. T. Lelekov*

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: *[email protected]

To optimize parameters of micropower radiation-stimulated power source, electron-hole parts generation rate 1D distribution in silicon is calculated in GEANT4. Maximal efficient isotope layer thickness and maximal energy efficiency of EHP generation are estimated.

Keywords: nickel-63, micropower radiation-stimulated power source, beta-electrical converter, p-i-n diode, GEANT4.

Тенденции к увеличению срока активного существования космических аппаратов, повышающаяся сложность систем питания требуют создания автономных, долгоживущих (свыше 25 лет), компактных, высоконадежных и стойких к ВВФ КП источников питания. Ради обеспечения этих параметров разработчики СЭП и других систем КА готовы мириться с малой отдаваемой мощностью, тем более что современные технологии электронной промышленности позволяют создать целый класс микромощных (от 1 мкВт до 10 мВт) устройств. Одним из перспективных вариантов является преобразование радиоактивной энергии изотопов в электрическую - создание радиационно-стимулированного источника (РСИ) электрической энергии. Срок службы РСИ зависит от периода полураспада изотопа, который для 63№ составляет 100,1 года. По принципу работы РСИ подо-

бен фотоэлектрическому преобразователю, вместо квантов света электронно-дырочные пары генерируются быстрыми электронами (для 63№ средняя энергия 17 кэВ, максимальная 67 кэВ), возникающими вследствие распада изотопа. Энергия испускаемых никелем-63 бета-частиц ниже порога дефектообразо-вания большинства полупроводников, в спектре отсутствуют гамма-кванты.

Для оценки максимально эффективной толщины слоя изотопа необходимо построить распределение скорости генерации электронно-дырочных пар, генерируемых вследствие излучения слоев изотопа с различным расстоянием от границы раздела изотоп-полупроводник. Для расчета распределения скорости генерации электронно-дырочных пар в полупроводнике применено моделирование на основе метода Монте-Карло в системе вЕАЭТ4.

*Работы проведены при поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы», соглашение о предоставлении субсидии № 14.577.21.0117.

Решетнеескцие чтения. 2015

а б

Рис. 1. Распределение генерации ЭДП вследствие излучения никеля-63 в кремнии: а - скорость генерации носителей заряда на одну бета-частицу [1]; б - потери энергии излучения на ионизацию [2]

Рис. 2. Расчётная схема задачи (а) и потери энергии излучения на генерацию ЭДП (б)

В литературе по-разному проводится расчет распределения скорости генерации электроно-дырочных пар в полупроводнике. В монографии [1] проводилось моделирование бета-вольтаического эффекта. Генерация носителей заряда предполагается пропорциональной распределению энерговыделения по глубине для электронов различной энергии (рис. 1), на рис. 1, а представлена зависимость скорости генерации носителей заряда от глубины проникновения электронов изотопа никеля активностью 20 мКи. Видно, что область с максимальной генерацией носителей заряда лежит в пределах до 6 мкм.

В работе [2] проводится исследование потерь энергии бета-частиц в кремнии методом Монте-Карло. На рис. 1, б показан график ионизационных потерь энергии излучения изотопа 63№ массовой плотностью 1 мг/см2. Видно, что энергия в основном теряется в приповерхностном слое кремния, распределение потерь по глубине близко к экспоненциальному.

Суммарные потери энергии излучения на ионизацию достигают 80 % при толщине кремния 5 мкм и почти 100 % при 20 мкм.

Сравнение результатов вышеописанных работ показывает, что полученные кривые энерговыделения несколько отличаются, что может быть обусловлено допущениями моделей физики взаимодействия электронов с веществом.

Выбранная для решения поставленной задачи геометрическая схема приведена на рис. 2, а. Объект имеет форму параллелепипеда и состоит из двух равных частей толщиной 400 мкм - изотопа 63 N1 и кремния. Излучение имитируется источником в форме плоской излучающей поверхности (квадрат со стороной 6^6 мкм, параллельный поверхности кремния). Излучающая поверхность смещалась от границы полупроводник-изотоп в область изотопа. Направление излучения разыгрывается по случайному закону в направлении кремния. Спектр бета-излучения соответствует спектру изотопа 63№.

б

а

Для подсчета потерь энергии на генерацию ЭДП вначале создается таблица ионизационных потерь энергии на каждом участке трека с указанием начальной и конечной точек участка. Энергия сгенерированной электронно-дырочной пары для кремния равна Ее-ь = 3,6 эВ. С использованием данной оценки рассчитываются количество и координаты сгенерированных ЭДП с допущением, что генерация равновероятна на всем участке трека. Пространство полупроводника разбивается на элементарные объёмы, и проводится подсчет количества ЭДП и соответствующей выделившейся энергии в каждом объеме.

На рис. 2, б приведен график суммарной энергии ЭДП, генерируемой слоями никеля с разным удалением. Общая энергия, излучённая слоем, равна 1, т. е. фактически приведен график КПД генерации ЭДП. Видно, что не более 18 % исходной энергии вызывает генерацию ЭДП. Приведённая зависимость аппроксимируется экспонентой а • ехр(-Лу/Т у), где а = 0,1878, Т у = 0, 7987 мкм. Слой толщиной 3 • Т у = = 2,4 мкм генерирует 95 % полезной энергии, увеличение толщины практически не дает прибавки. На основании рассчитанного показателя экспоненты можно проводить расчет экономически оправданной толщины изотопа. Общий КПД генерации для полубесконечного слоя изотопа можно рассчитать как

( Л ^

Ду

П = J a -exp

Ty

dl = aTy =0,15.

y

В результате проведенного моделирования процессов генерации электронно-дырочных пар в кремнии, вызванного излучением изотопа 63Ni в системе GEANT4 с использованием моделей ионизации и перехода электронов в зону проводимости для низких энергий, определена максимальная эффективная толщина слоя изотопа - 2,4 мкм.

Библиографические ссылки

1. Нагорнов Ю. С. Современные аспеты применения бета-вольтаического эффекта. Ульяновск : Ул-ГПУ, 2012. 113 с.

2. Optimization design and analysis of Si- 63 Ni betavoltaic battery / XiaoBin Tang, Ding Ding, YunPeng Liu, Da Chen // SCIENCE CHINA. Technological Sciences. 2012. Vol. 55(4). P. 990-996.

References

1. Nagornov U. S. Sovremennie aspekty primeneniya betavoltaicheskogo effekta. Ulyanovsk : UlGPU, 2012. 113 p. ISBN 978-5-86045-493-4. (in Russ.)

2. Optimization design and analysis of Si- 63 Ni betavoltaic battery / XiaoBin Tang, Ding Ding, YunPeng Liu, Da Chen // SCIENCE CHINA. Technological Sciences. 2012. vol. 55(4). pp. 990-996, doi:10.1007/s11431- 012-4752-6.

© Зеленков П. В., Сидоров В. Г., Хорошко А. Ю., Лелеков Е. Т., Лелеков А. Т., 2015

УДК 543.428

ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛИЦИДА FeSi МЕТОДАМИ ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

А. Ю. Игуменов1*, А. С. Паршин1, Ю. Л. Михлин2, О. П. Пчеляков1,3, В. С. Жигалов1,4, С. А. Кущенков1

1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

2Институт химии и химической технологии СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/24

3Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН Российская Федерация, 630090, г. Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 13

4Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38

Для создания наногетероструктур на основе железа и кремния необходим строгий контроль элементного состава и фазообразования, в том числе силицидообразования. Моносилицид железа - перспективный материал для создания источников и детекторов света в ближней инфракрасной области, которые могут быть использованы в ракетно-космической отрасли. В данной работе проведено исследование силицида FeSi методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, спектроскопии характеристических потерь энергии отраженных электронов и сечения неупругого рассеяния электронов. Проведено исследование тонкой структуры спектров сечения неупругого рассеяния электронов посредством аппроксимации этих спектров Лорен-цевоподобными пиками Тоугаарда.

Ключевые слова: силициды железа, спектроскопия сечения неупругого рассеяния электронов, спектроскопия характеристических потерь энергии электронов.