Radiation damage in ion-implanted quartz crystals. Part I: Nuclear and electronic energy deposition

Abstract

The disorder formation in quartz crystals by implantation of He+, B+, and Ar+ ions at room temperature is investigated by Rutherford-backscattering spectrometry (RBS). The efficiency of the process of damage production is strongly dependent on the energy deposition mechanism and the degree of disorder. Three characteristic stages of defect formation are found in dependence on nuclear deposited energy density Gn: (I) Point defects are produced at Gn ≦ 1 × 1020 keV/cm3. (II) Amorphous microregions are generated up to the formation of a quasi amorphous layer (termed “RBS-amorphous”) at Gn ≅ 2.5 × 1020 keV/cm3. (III) Further structural changes occur in RBS-amorphous layers at larger Gn values. Disorder formation due to electronic processes is possible, but only in predamaged quartz, and at a very low efficiency. Die Erzeugung von Strahlenschäden in Quarz-Kristallen durch Implantation von He+-, B+- und Ar+-Ionen bei Raumtemperatur wird mittels Rutherford-Weitwinkel-Streuung (RBS) untersucht. Die Effektivität des Prozesses der Schädigung ist stark abhängig vom Mechanismus der Energiedeponierung sowie von Schädigungsgrad. In Abhängigkeit von der über nukleare Prozesse deponierten Energiedichte Gn werden drei charakteristische Bereiche der Defektbildung nachgewiesen: (I) Erzeugung von Punktdefekten bei Gn ≦ 1 × 1020 keV/cm3; (II) Erzeugung amorpher Mikrobereiche bis zur Bildung einer quasi-amorphen („RBS-amorphen”︁) Schicht bei Gn ≅ 2,5 × 1020 keV/cm3; (III) Weitere strukturelle Veränderungen in RBS-amorphen Schichten bei größeren Werten von Gn. Eine Schädigung von Quarz infolge elektronischer Prozesse ist ausschließlich in vorgeschädigtem Material möglich, jedoch mit sehr kleiner Effektivität.