Raman scattering and SEM studies of graphite and silicon carbide surfaces bombarded with energetic protons, deuterons and helium ions

Abstract

Experimental investigations on the chemical and physical effects of 10–15 keV H1+, D1+ and He+ ion bombardments to fluences up to 1019 ions/cm2 on graphite and SiC have been conducted using the techniques of Raman scattering and scanning electron microscopy (SEM). Raman scattering data for ion bombarded graphite reveal the formation of an amorphous surface layer as indicated by the appearance of a broad band in the spectrum centered at 1525 cm which replaces the bands due to microcrystalline carbon at 1585 cm−1 and 1360 cm−1. The microcrystalline structure could be partially restored upon vacuum annealing at 1040°C for several hours. A weak, broad band centered at 2150 cm also appears after bombardment which is indicative of the formation of −C = C− bonds. Surfaces of “KT” SiC were also amorphized on ion bombardment as indicated by changes in the Raman spectra. Chemical trapping of the incident h1+ and D1+ ions to form bulk C-H, C-D and Si-H species was observed. Preferential sputtering of Si leaving a carbon rich surface region also occurred. Blister formation was observed in the SEM studies. Des études expérimentales sur les effets chimiques et physiques de bombardements par des ions H1+, D1+, et He+de 10 à 15 keV sous des fluences atteignant 1019 ions/cm2 du graphite et du carbure de silicium ont été conduites en utilisant les techniques de l'effet Raman et de microscopie électronique à balayage (SEM). Les données de l'effet Raman pour le graphite bombardé par des ions révèlent la formation d'une couche superficielle amorphe, comme l'indique l'apparition d'une bande large dans le spectre centrée à 1525 cm−1 qui remplace les bandes dues au carbone microcristallin à 1585 et 1360 cm−1. La structure microcristalline pourrait être partiellement restaurée par recuit sous vide à 1040°C pendant plusieurs heures. Une bande large mais peu intense centrée à 2150 cm−1 apparaît aussi après bombardement, ce qui indique la formation de liaisons −C = C−. Les surfaces de SiC “KT” sont aussi amorphisées par bombardement ionique comme l'indiquent les changements dans les spectres Raman. Le piégage chimique des ions incidents h1+ et D1+ en formant des espèces C−H, C−D et Si−H a été observé. La pulvérisation préférentielle de Si laissant une région superficielle riche en carbone a été aussi observée. La formation de cloques a été observée dans les études par SEM. Experimentelle Untersuchungen über die physikalischen und chemischen Einflüsse eines H1+, D1+ und He+-Ioncnbeschusses zwischen 10 und 15 keV mit einer Dosis bis zu 1019 Ionen/cm2 auf Graphit und SiC wurden mit Hilfe der Raman-Streuung und der Rasterelektronenmikroskopie durchgeführt. Die Ergebnisse der Raman-Streuung an Graphit nach dem Ionenbeschuss zeigen, dass eine Oberflächenschicht gebildet wird, die durch das Auftreten einer breiten Bande im Spektrum mit dem Schwerpunkt bei 1525 cm angezeigt wird, welche die Banden des mikrokristallinen Kohlenstoffs bei 1585 und 1360 cm−1 ersetzt. Die mikrokristalline Struktur konnte zum Teil durch mehrstündige Wärmebehandlung bei 1040°C im Vakuum wiederhergestellt werden. Eine schwache, breite Bande mit dem Schwerpunkt bei 2150 cm−1 erscheint ebenfalls nach dem Bcschuss, die auf die Bildung von −C = C−-Bindungen hinweist. “KT”-SiC-Oberflächen wurden durch lonenbeschuss ebenfalls in den amorphen Zustand versetzt, wie sich aus Änderungen der Raman-Spektren ergibt. Der chemische Einschluss von auftreffenden H1+- und D1+-Ionen unter Bildung grösserer Mengen C-H-, C-D- und Si-H-Spezics wurde festgestellt. Ferner tritt eine bevorzugte Si-Zerstäubung unter Zurücklassen eines kohlenstoffrcichen Oberflächenbereichs auf. Eine Obcrflächenblasenbildung wurde rasterelektronenmikroskopisch beobachtet.