DE69913668T2

DE69913668T2 - Verfahren zur erzeugung von kohlenstoff mit elektrisch aktiven stellen

Info

Publication number: DE69913668T2
Application number: DE1999613668
Authority: DE
Inventors: Pierre Jacques SELLSCHOP; Paul Kienle
Original assignee: University of the Witwatersrand, Johannesburg
Current assignee: Witwatersrand Parktown Johanne, University of
Priority date: 1998-03-17
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2019-03-17
Also published as: US6563123B1; ATE256911T1; WO1999048107A1; JP2002507732A; JP4436968B2; DE69913668D1; AU3268199A; EP1062669B1; EP1062669A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff mit elektrisch aktiven Stellen.
Diamant ist wohlgeschätzt als ein ausgezeichneter elektrischer Isolator. Jedoch wird eine seltene Klasse von Diamant in der Natur gefunden, systematisch als Typ IIb bezeichnet, welche halbleitende Eigenschaften vom p-Typ hat. Die Forschung von einem der Erfinder zeigte, daß dieses in der Gegenwart von Bor im Diamanten begründet war (Ref. Sellschop JPF et al, Int J of App Rad and Isot. 28 (1977) 277).
Die Wichtigkeit von Diamant als ein halbleitendes Material ist lange vorausgesagt worden, herrührend von den vielen einzigartigen physikalischen Eigenschaften dieses Materials, die Diamant zu einem Material von einzigartiger Wichtigkeit in elektronischen Anwendungen machen würde, einschließlich in rauhen Umgebungen.
Daß dieses bisher noch nicht realisiert worden ist, ist begründet in den Schwierigkeiten, diesen Typ von Bor-dotiertem Diamanten mit einer ausreichend geringen Dichte an Defekten, und intrinsischen und strahlungsinduzierten Defekten und ausreichender räumlicher Homogenität des Dotanten innerhalb des gesamten Diamanten zu erhalten. Typ IIb Diamanten sind extrem selten in der Natur, aber sind synthetisch sowohl durch Hochdruck-Hochtemperaturzüchtung (HPHT) als auch Züchtung durch chemisches Aufdampfen (CVD) durch die Zugabe von Bor zu der Synthesemischung hergestellt worden. Diese Erfolge sind weit vom Idealzustand entfernt und erfüllen nicht den Bedarf, da sie im Fall der HPHT teuer und langsam und in beiden Fällen schwierig quantitativ zu kontrollieren sein können; Homogenität ist schwer zu erhalten. Große defektfreie Kristalle sind schwer durch das HPHT-Verfahren zu erhalten, und das CVD-Verfahren (anders als in speziellen Umständen, wie zum Beispiel die Verwendung von Diamant selbst als ein Zuchtsubstrat) produziert polykristalline Materialien.
Dies hat einen starken Vorstoß ausgelöst, um Dotierung durch die Einführung von relevanten Materialien, wie zum Beispiel Bor, durch eine als Ionen-Implantation bekannte Technik zu erreichen. Es ist beansprucht worden, daß p-Typ-Dotierung auf diese Weise erreicht worden ist. Es sind jedoch größte Schwierigkeiten unentwirrbar mit dieser Technik verbunden, und eine der ernstesten von diesen ist die des Strahlenschadens, der durch das durchdringende Borion verursacht wird. Ein weiteres sehr ernstes Problem ist, daß die charakteristischen Eigenschaften des Implantationsprofils hochgradig inhomogen bezüglich der gesamten Geometrie der Probe sind und daß es keine augenscheinliche Lösung zu diesem Punkt gibt, selbst wenn Implantationen über einen Bereich unterschiedlicher Energien gemacht werden. Bezüglich des Strahlungsschadens sind verschiedene Temperaturbereiche und Verläufe verwendet worden, in dem Bemühen, einen gewissen Grad die Integrität des beschädigten Kristallgitters wieder herzustellen, um die Anzahl der beschädigten Stellen, welche als Fallen agieren würden, zu reduzieren und um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, Substitutionsstellen für das Dotant-Ion bereitzustellen, in der Hoffnung, daß es dann bevorzugt solche Substitutionsstellen besetzen wird. Weiterhin wird von Ionenimplantation normalerweise automatisch angenommen, eine Geometrie zu besitzen, in der der beschleunigte Ionenstrahl die Probe durch eine flache Oberfläche anspricht. Sie kann nicht Proben von willkürlichen und verschiedenen Gestalten in einer vernünftigen Weise behandeln. Es kann verwiesen werden auf Nuclear Physics A, Bd. A251, Nr. 3, Seiten 479 bis 492, 27.10.1995, Ahrens et al., welches sich auf die Gesamtkernphoton-Absorptions-Querschnitte für einige leichte Elemente, einschließlich Kohlenstoff in der Form von Graphit, bezieht.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff mit elektrisch aktiven Bor-Stellen die Schritte:
Bereitstellen einer Kohlenstoffquelle und Aussetzen dieser Quelle gegenüber einer Strahlung mit einer Energie, die geeignet ist, um die photonukleare Transmutation von einigen der Kohlenstoffatome zu Bor zu bewirken, wobei die Kohlenstoffquelle Diamant oder Diamant-ähnliches Material ist.
Die Kohlenstoffquelle ist Diamant oder Diamant-ähnliche Materialien. Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Gesamtzahl von elektrisch aktiven Stellen, von denen einige Substitutionsstellen sein werden, wenn der Kohlenstoff eine Kristallstruktur hat, durch die homogene photonukleare Transmutation von einigen der Kohlenstoffatome zu Bor bereit. Falls geeignet, kann die Transmutation durch eine oder mehrere einer Auswahl von Temper-Betriebsbedingungen unterstützt und verstärkt werden: thermisches Heizen und/oder Elektronenstrahlheizen oder irgendeine andere Form des Probenspezifischen Heizens, entweder nach der Bestrahlung oder während der Bestrahlung; Laserbestrahlung, wiederum entweder nach der Bestrahlung oder während der Bestrahlung, falls notwendig, gleichzeitig unterstützt durch thermisches oder Elektronenstrahlheizen; Laserbestrahlung bei spezifisch ausgewählten Wellenlängen und/oder Wellenlängenbändern, wiederum entweder nach der Bestrahlung oder während der Bestrahlung oder beides, falls notwendig, unterstützt durch Probenheizen thermischen oder Elektronenstrahlursprungs oder andere Mittel: einschließlich des Konzepts der Resonanzeffekte im Temper-Verfahren, einschließlich insbesondere Resonanzlaser-Tempern bei Raumtemperatur oder erhöhten Temperaturen, ebenfalls einschließlich insbesondere Kombinationen von Temperaturprotokollen, wie zum Beispiel Niedertemperaturbestrahlung, gefolgt durch rasches thermischen Tempern.
Die Erfindung hat eine besondere Anwendung beim kontrollierten und homogenen Dotieren von Diamanten aller Typen, Formen und Größen, von Einkristallen und polykristallinen, von natürlichen und synthetischen. Der synthetische Diamant kann durch Hochdruck/Hochtemperatur-Züchtung oder chemisches Aufdampfen hergestellt werden.
Die Bestrahlung wird bevorzugt unter Verwendung von Photonen und insbesondere von Gammastrahlen erreicht werden, kann aber auch unter Verwendung anderer Strahlenquellen, wie zum Beispiel Elektronen, erreicht werden.
Im Vergleich mit der von geladenen Partikeln oder Neutronen ist die Wechselwirkung von Photonen mit Materie sanft insoweit Strahlenschäden betroffen sind. Diese Wechselwirkung erfolgt durch die Mechanismen des photoelektrischen Effektes, der Comptonstreuung und der Paarbildung. Es ist wichtig zu beachten, daß alle drei dieser Mechanismen von elektromagnetischem Ursprung sind und nicht durch die nukleare Wechselwirkung wirken. Deshalb ist die Störung des geordneten Kristallgitters minimal, insbesondere im Vergleich mit der, die inhärent durch geladene Partikel oder Neutronen verursacht wird.
Wo ein Strahlenschaden verursacht wird, zum Beispiel durch ein energiereiches Proton oder Neutron, und ein rückstossendes Bor hergestellt wird, kann ein derartiger Schaden durch Verwendung eines oder eines anderen der oben beschriebenen Temperverfahren reduziert werden.
Photonen haben, verglichen mit allen anderen typischen Strahlungen, eine hohe Durchdringungskraft, folglich eignen sie sich in einem extrem hohen Grad für die Homogenität von jeglichen Effekten, welche sie produzieren.
Es ist wichtig, daß die Energie der Strahlung so gewählt wird, daß die gewünschte photonukleare Reaktion erreicht wird, die zu der Bildung von Bor führt. Die Minimalenergie der Strahlung, die notwendig ist, um eine bestimmte photonukleare Reaktion zu erreichen, wird gemäß der spezifischen Energetik der Reaktion variieren. Beispiele werden im Folgenden bereitgestellt. Typischerweise wird die Energie der Strahlung im Bereich von 16 MeV bis 32 MeV sein.
Es ist weiterhin bevorzugt, daß die Energie der Strahlung gewählt wird, um die Giant-Dipol-Resonanz (GDR) anzuregen, welche zu einer Verstärkung der Bor-Herstellungsgeschwindigkeit führt. Die GDR ist eine breite Resonanz und Bremsstrahlung kann mittels eines Elektronenbeschleunigers hergestellt werden, so daß die Endpunktenergie des Bremsstrahlungsspektrums oberhalb des Bereiches der GDR ist, und dadurch Photonen im zur Anregung der GDR relevanten Energiebereich bereitstellt. Gewisse Vorteile können durch die Verwendung von monoenergetischen (monochromatischen) Photonen ausgewählter Energie oder durch ein definiertes Fenster der Photonenenergien von ausgewählter Energiebreite und mittlerer Energie erreicht werden.
Die photonukleare Reaktion kann eingesetzt werden, um die Transmutation von Kohlenstoffatomen zu Boratomen unter vollständiger Kontrolle der Anzahl der hergestellten Boratome zu bewirken. Dotierungskonzentrationen von wenigen Teilen Bor pro Million Kohlenstoffatome können mit der Möglichkeit der Herstellung geringerer oder höherer Dotantenkonzentrationen erreicht werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist ein Schaubild der photonuklearen Anregungsfunktion für Kohlenstoff (Photoneutronenquerschnittsdaten für Kohlenstoff [σ(γ, n) + σ(γ, np)], erhalten durch die Verwendung von monochromatischen Photonen, und Messungen der Gesamtneutronenausbeute), das den erhöhten Querschnitt in dem Bereich der Giant-Dipol-Resonanz (GDR) zeigt;
2 ist ein Schaubild, das die Bremsstrahlungsspektren bei drei verschiedenen Elektronenenergien zeigt; und
3 ist eine Abklingkurve, die die Bildung von Bor-11 bestätigt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Ein spezifischer Mechanismus zur Herstellung von p-Typ-Leitfähigkeit (zum Beispiel durch Bor-Produktion/Dotierung) ist die Verwendung von photonuklearen Reaktionen, beginnend mit ¹²C(γ, p)¹¹B mit Q = –15,9572 MeV (1) und ¹²C(γ, n)¹¹C mit Q = –18,7215 MeV ¹¹C → β⁺ + ¹¹B (τ = 20 ms) mit Q = +1,982 MeV (2)
Auch zu berücksichtigen sind, verursacht von der kleinen Menge (~1%) von ¹³C in natürlichem Kohlenstoff: ¹³C(γ, p)¹²B mit Q = –17,533 MeV ¹²B → β^– + ¹²C (τ = 20,2 ms) mit Q = +13,369 MeV (3) und ¹³C(γ, n)¹²C mit Q = –4,947 MeV
Die Endprodukte, die aus diesen Haupt- und besonders fruchtbaren der photonuklearen Reaktionen in Diamant stammen, sind der p-Typ-Dotant Bor-11 (für das dominierende Isotop Kohlenstoff-12) und für das untergeordnete Isotop (Kohlenstoff-13) das stabile Isotop Kohlenstoff-12 selbst. Man sollte sich bewußt sein, daß die Photonen-induzierten Rückstöße der verbleibenden Kerne eine kurze Reichweite haben und im Allgemeinen in der Probe zur Ruhe kommen werden, und das hergestellte Proton oder Neutron wird auch mit der Matrix interagieren. Diese Energieverlustsituationen sind bekannt, und mäßiges Tempern kann angezeigt werden, entweder Selbstaufheizen oder Probentempern während oder nach der Bestrahlung oder eine Kombination von beiden, oder eines der Temperaturverlaufsprotokolle, wie zum Beispiel Bestrahlung bei niedrigen Temperaturen, gefolgt von raschem thermischen Tempern (Ref. Sandu et al. App. Phys Lett. 55 (1989) 1397). Diese thermischen Temper-Verfahren können mit (gleichzeitiger) Laserbestrahlung kombiniert werden, wobei die Wellenlängen der Laserbestrahlung spezifisch ausgewählt werden und Resonanzeffekte mit der Kohlenstoffkristallstruktur (zum Beispiel dem Diamantgitter) hervorgerufen werden können. Unter Verwendung dieser Methoden kann ein hoher und wohlkontrollierter Grad an Substitution der Boratome in der Kohlenstoffkristallprobe mit einem bemerkenswerten Grad an Homogenität bezüglich der Verteilung des Bors innerhalb der gesamten Kohlenstoffprobe hergestellt werden, sei es in Einkristall- oder polykristalliner Form.
Diese photonuklearen Reaktionen sind im Allgemeinen stark endothermisch.
So werden, falls Bestrahlung mit Photonen von zum Beispiel 5 bis 6 MeV verwendet werden sollte, sowohl die (γ, p) als auch die (γ, n) Kanäle für Kohlenstoff-12 geschlossen. Falls entsprechend eine Photonenenergie von 16 MeV gewählt wird, ist sie oberhalb der Schwelle für die ¹²C(γ, p)¹¹B-Reaktion, so daß der Kanal offen ist, während sie immer noch unterhalb der Schwelle für die ¹²C(γ, n)¹¹C-Reaktion ist, so daß dieser Kanal immer noch für die Herstellung geschlossen ist.
Unter ausschließlicher Berücksichtigung der beiden Kohlenstoffisotope ergeben sich die folgenden zusätzlichen, aber weniger wahrscheinlichen oder schwächeren Photonuklearreaktionen aus der Bestrahlung von Kohlenstoff mit Photonen: ¹²C(γ, d)¹⁰B (stabil) Q = –25,187 MeV (5) ¹²C(γ, np)¹⁰B (stabil) Q = –27,412 MeV (6) ¹²C(γ, 2n)¹⁰C Q = –31,806 MeV ¹⁰C → β⁺ + ¹⁰B (τ = 19,5 s) Q = +3,611 MeV (7) ¹²C(γ, t)⁹B Q = –27,3696 MeV ⁹B → ⁸Be + p Q = +0,187 MeV ⁸Be → α + α Q = +0,094 MeV (8) ¹²C(γ, ³He)⁹Be (stabil) Q = –26,281 MeV (9) ¹²C(γ, ⁴He)⁸Be Q = –7,3696 MeV ⁸Be → α + α Q = +0,094 MeV (10) ¹²C(γ, ⁵He)⁷Be Q = –27,222 MeV ⁷Be → ε + ⁷Li Q = +0,861 MeV (11) oder entsprechend und vielleicht wahrscheinlicher ¹²C(γ, ¹H + ⁴He )⁷Li Q = –24,6 MeV (12)(welche Reaktion experimentell beobachtet worden ist, zusammen mit den anderen Dreikörperreaktionen ¹⁴N(γ, ¹H + ⁴He)⁹Be Q = –18,2 MeV ¹⁶O(γ, ¹H + ⁴He)¹¹Be Q = –23,2 MeV
Das Folgende sollte mit Bezug auf die sekundären Photonuklearreaktionen beachtet werden, die in dem Hauptisotop Kohlenstoff-12 induziert werden:
in zwei Kanälen wird p-Typ-Dotant Bor-10 hergestellt;
in zwei anderen Kanälen werden Alphateilchen hergestellt;
in einem anderen Kanal wird das stabile Isotop Beryllium-9 hergestellt;
und in den zwei Kanälen wird das stabile Isotop Lithium-7 hergestellt.
Es muß erwartet werden, daß diese sekundären Reaktionen geringe Querschnitte haben.
Die Auswahl der Photonenenergien wird nun betrachtet. Allen Kernen gemeinsam ist die Eigenschaft, daß der gesamte photonukleare Absorptionsquerschnitt als eine Funktion der eintreffenden Photonenenergie ein sehr großes Maximum zeigt, einige 2 bis 3 MeV weit, mit einer glatten A-Abhängigkeit (A = Massenzahl des Kernes), welche (basierend auf einem einfachen Modell des harmonischen Oszillators) wie folgt verläuft Emax = 42A–1/3 MeVwelches grob eine Resonanz nahe einer Photonenenergie von 20 MeV voraussagt. Fortschrittlichere Behandlungen der Daten (Ref. Berman et al. Rev Mod Phys 47 (1975) 713) schlagen für eine Zwei-Komponentenanpassung vor Emax = 47,9A–1/427 MeVwelches eine Resonanz bei 26,7 MeV vorhersagt, oder sogar für eine Drei-Komponentenanpassung Emax = 77,9A–1/3(1 – e–A/238) + 35,4A–1/16e–A/238 welches eine Resonanz bei 22,8 MeV vorhersagt.
Experimentell gemessene Werte für Kohlenstoff-12 sind nahe zu diesen, nämlich
E_max ≈ 22,5 MeV für die (γ, n) Reaktion
und E_max ≈ 21,5 MeV für die (γ, p) Reaktion
Es ist gezeigt worden, daß diese dominierende Resonanz Dipoleigenschaft hat, und sie ist ziemlich passend als die "Giant-Dipol-Resonanz (GDR)" bezeichnet worden. Sie kann einfach als ein Grundresonanz-Schwingungsfreiheitsgrad für alle Kerne verstanden werden, wobei anschaulich die Protonen und Neutronen in dem Kern gegeneinander oszillieren. In dem beigefügten Schaubild 1 ist die photonukleare Anregungsfunktion (Querschnitt als eine Funktion der auftreffenden Energie) über den GDR-Bereich und darüber hinaus gezeigt. Es ist offensichtlich, daß es einen großen Vorteil bezüglich der zu erreichenden Herstellungsausbeute gibt, indem im GDR-Bereich gearbeitet wird, vorausgesetzt natürlich, daß die Energie der Strahlung oberhalb der Schwellenenergie für die fragliche Reaktion ist, und tatsächlich unterhalb der von einigen unerwünschten Reaktionen gehalten werden kann.
Die Schwellenenergien für die oben beschriebenen Photonuklearreaktionen sind:
Reaktion (1) 15,957 MeV
Reaktion (2) 18,722 MeV
Reaktion (3) 17,533 MeV
Reaktion (4) 4,947 MeV
Reaktion (5) 25,187 MeV
Reaktion (6) 27,412 MeV
Reaktion (7) 31,806 MeV
Reaktion (8) 27,370 MeV
Reaktion (9) 26,281 MeV
Reaktion (10) 7,370 MeV
Reaktion (11) 27,222 MeV
Reaktion (12) 24,6 MeV
Bei der GDR von 22,5 MeV gibt es zwei Hauptkanäle [nämlich (γ, p) und (γ, n)], die für die meiste der als Bor-herstellenden Reaktionen offenen Dipolstärke verantwortlich sind. Unter Verwendung eines Bremsstrahlungsphotonenspektrums mit seinen kontinuierlichen Eigenschaften würde ein Energiemaximum von zum Beispiel 32 MeV 5 Bor-herstellende Reaktionskanäle öffnen. Es sollte jedoch beachtet werden, daß die GDR einige wenige MeV breit ist, so daß es diesen großzügigen Spielraum gibt, welcher zum Vorteil verwendet werden kann. Es kann erwartet werden, daß das Abklingen des Giant-Dipol-angeregten Kohlenstoff-12-Kerns entsprechend der Eigenschaften des kernstatistischen Modells fortschreitet, so daß erwartet werden kann, daß die einfachen Neutronen- und Protonenzerfallskanäle dominieren und für das meiste der Stärke verantwortlich sind.
Es ist möglich, monochromatische Photonen oder Photonen in einem Energiefenster von endlicher Breite und ausgewählter mittlerer Energie herzustellen, und dieses kann zum Vorteil verwendet werden. Eine derartige Situation würde sein, den Strahlenschaden an den Kohlenstoffkristallen durch ausschließliche Verwendung von Photonen mit Energie im GDR-Bereich zu reduzieren, in anderen Worten, die Photonen zu eliminieren, die nur in einem geringen Ausmaß zu der gewählten Photonuklearausbeute beitragen, aber welche dennoch zum Strahlenschaden beitragen. Monochromatische Photonen können durch eine Anzahl von etablierten Techniken hergestellt werden, einschließlich durch In-Flug-Annihilation von Positronen (positron annihilation-in-flight) und durch die Beschleuniger-hergestellte Photonenquelle durch die Einfangreaktion ³H(p, γ)⁴He mit Q = +19,812 MeV.
Diamant kann Elementardefekte enthalten, von denen die häufigsten Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff sind. Während Wasserstoff eine Rolle von einzigartiger Wichtigkeit beim Wachstum von Diamant und bei den Eigenschaften von Diamant spielt, spielt er scheinbar keine Rolle im Sinne von photonuklearen Transmutationsreaktionen, außer im Falle des Nebenisotops von Wasserstoff (Deuterium). Die hauptsächlichen Elementardefekte, die für Diamant charakteristisch sind, nämlich die leichtflüchtigen Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff, verursachen keine Probleme bei der Transmutationsdotierung von Kohlenstoff durch photonukleare Reaktionen.
Die anderen charakteristischen Defekte in Diamant, nämlich strukturelle Defekte, haben keine spezifischen Wechselwirkungen mit auftreffenden Photonen.
Die Borherstellung in Diamant durch photonukleare Reaktionen, insbesondere in dem GDR-Bereich, kann quantifiziert werden. Dieser Gesichtspunkt kann in wohldefinierte Stufen unterteilt werden:
Erstens gibt es die Bremsstrahlungsproduktionsstufe, welche den Fluß von Photonen offenbart, die für den verfügbaren GDR-Strahlungsbereich relevant sind.
Zweitens gibt es die Photonuklearreaktionsstufe, welche die Berechnung der Produktionseigenschaften für die interessierenden Elemente ermöglicht. Diesbezüglich ist die Frage der Durchdringbarkeit von Diamant für Photonen der Energie in dem GDR-Bereich relevant.
Stufe 1: Bremsstrahlungsproduktion
Es ist notwendig, den Fluß der Photonen in dem interessierenden GDR-Bereich im Bremsstrahlungsspektrum, das in einem Target durch monoenergetische Elektronen von ausgewählter Energie erzeugt wird, zu kennen. Die Form des Bremsstrahlungsspektrums ist eine steil abnehmende Funktion mit zunehmender Photonenenergie, mit Null Photonenfluß an der Endpunkt-(maximal)-energie, welche der Energie des auftreffenden Elektronenstrahls entspricht. Dies ist eine komplexe Berechnung. Die berechnenden Verläufe und der Vergleich für drei verschiedene Elektronenenergien sind in 2 gezeigt. Die Auswahl der Energie der auftreffenden Elektronen wird von dem Bedarf für eine erhöhte Ausbeute in dem GDR-Bereich beeinflußt, was nahelegt, zu höheren Elektronenenergien zu gehen, aber dieses hat als eine Konsequenz einen größeren Fluß von Photonen, die nicht zu der GDR beitragen und die in Übereinstimmung mit dem kleinen nicht-GDR-Querschnitt nur geringfügig zu dem photonuklearen Querschnitt beitragen, aber unnötigerweise zu dem Strahlenschaden hinzufügen. Messungen sind an zwei Elektronenmikrotronenbeschleunigern mit Elektronenenergien von 30, 40, 50 und 100 MeV gemacht worden. Bei jeder dieser Energien wurde eine unzweifelhafte 20 Minuten Halbwertszeitaktivität (siehe zum Beispiel 3) in Zwei-Photonen-Positronen-Annihilierungssignalen detektiert, eindeutig entsprechend dem Zerfall von Kohlenstoff-11, welcher in der Reaktion ¹²C(γ, n)¹¹C hergestellt worden war. Dies ist ein klarer Beweis der Borproduktion. Der aus derartigen Messungen abgeschätzte Photonenfluß ist konsistent mit dem berechneten Fluß. Ein typischer Fluß, wie er für den Fall von mit 100 MeV auftreffenden Elektronen bestimmt wurde, war 0,3 × 10¹⁰ Photonen/cm²/sec.
Stufe 2: Photonuklearreaktionen
Die zwei zu berücksichtigenden Reaktionen sind ¹²C + γ → ¹¹B + p und ¹²C + γ → ¹¹C + n allgemeiner: A + x → B + γ
Die Bildungsgeschwindigkeit eines spezifischen Nukleotids, B, ist wie folgt: dNB/dt = ΦσNA wobei Φ = Flußdichte der Photonen (x) in cm^–2s^–1
σ = Querschnitt in cm²
N_A = Anzahl der Atome A in dem von dem Photonenstrahl abgetasteten Volumen
Durch Integrieren dieser Gleichung unter Kenntnis der Photonenflußdichte, des Querschnitts und der Dichte der Kohlenstoffverbindung kann man die Anzahl der in einer bestimmten Zeit hergestellten Boratome bestimmen.
Falls das gebildete Produktnuklid B zusätzlich radioaktiv instabil ist, dann –dNB/dt = λNB wobei λ = Zerfallskonstante
Deshalb wird die Nettoproduktionsgeschwindigkeit von B dann sein dNB/dt = ΦσNA – λNB
Integration ergibt NB = [ΦσNA/λ] – (1 – e–λt)
Demnach ist die Aktivität von B als eine Funktion der Zeit A = –dNB/dt = λNB = ΦσNA(1 – e–λt)wobei (1 – e^–λt) = Sättigungsfaktor
Aus der Messung der Aktivität zu einer bekannten Zeit kann die tatsächliche Anzahl der Atome des gebildeten Nuklids B unabhängig bestimmt werden.
Es wird gefunden, daß die aus der Bildungsbestimmung und aus den Abklingmessungen erhaltenen Ergebnisse miteinander konsistent sind. Ein typisches Ergebnis für eine Bestrahlung von 1 Stunde ergibt in einem Diamantkristall 0,01 ppm (atomares) Bor. Unter Berücksichtigung, daß dies für einen gemäßigten Elektronenstrahlstrom und einem abgetasteten Strahl mit einem Niedrigleistungskreiselektronenstrahl war, kann geschlossen werden, daß eine Borproduktion von wenigen ppm leicht erreichbar ist.
Diese Dotierung wird extrem homogen sein, da, falls der Massenschwächungskoeffizient berücksichtigt wird:
μ/ρ = 0,015 cm²/g für E_γ = 25 MeV in Kohlenstoff
ρ = 3,5 g/cm³ für Diamant
somit μ_x = 0,0525 cm^–1
Deshalb ist Diamant "normaler" Größe transparent für Gammastrahlen mit 25 MeV, wodurch eine homogene Produktion von Bor innerhalb des gesamten Diamanten sichergestellt wird.
Die Erfindung stellt eine Anzahl von Vorteilen über bekannte Methoden zur Herstellung von Diamant mit Dotanten in elektrisch aktiven Stellen bereit. Einige dieser Vorteile und bevorzugte Wege zur Ausführung der Erfindung werden hiernach aufgezeigt:

– Photonuklearreaktionen, insbesondere die (γ, n und/oder p) Kanäle, welches die stärksten Kanäle sind, gerichtet auf Diamant (und tatsächlich auf alle Formen von Kohlenstoff), führen zu der Transmutation von Kohlenstoff zu Bor
– Auswählen der Photonenenergie, um die Giant-Dipol-Resonanz anzuregen, führt zu einer Verstärkung der Bor-Produktionsgeschwindigkeit
– Vorteile können durch die Verwendung von monoenergetischen Photonen oder einem Energieband von gewählter Breite und mittlerer Energie erreicht werden
– Boronierungsproduktion zu geeigneten praktischen Geschwindigkeiten ist leicht mit Beschleunigereinrichtungen des Standes der Technik erreichbar
– Es ist ein praktischer/industrieller Vorteil von großer Signifikanz, daß die Bestrahlung nicht im Vakuum durchgeführt werden muß (entweder Beschleunigervakuum oder isoliertes Probenvakuum)
– Die 20 Minuten-Halbwertszeit-Radioaktivität, welche eine intrinsische Eigenschaft der Photonen-induzierten Transmutationsdotierung von Kohlenstoff ist, wird als ein quantitatives Maß der Menge an hergestelltem Bor verwendet, und dient als ein Maß, um den Grad der Boronierung der Probe zu kontrollieren
– Temper-Verfahren sind bekannt und können verwendet werden um Strahlenschaden zu behandeln: diese umfassen ohmsches thermisches Aufheizen während der Bestrahlung oder nach der Bestrahlung oder einer Kombination aus beidem; Elektronenstrahlheizung; Kombinationen, wie zum Beispiel kalte Bestrahlung und nachfolgendes rasches thermisches Tempern; Laserbestrahlung während der Photonenbestrahlung oder nach der Photonenbestrahlung, oder eine Kombination aus beidem, mit oder ohne zusätzliches thermisches Heizen; Laserbestrahlung bei spezifisch ausgewählten Wellenlängen, um den Vorteil von Resonanzeffekten zu erreichen, unter anderen.
– Strahlenschaden vor dem Tempern kann zum Vorteil der Bereitstellung von unbesetzten Stellen zur Auffüllung durch die (rückstoßenden) Boratome verwendet werden, wodurch sie zu Substituenten im Wirtsgitter werden
– Ein hoher Grad von Substitutions-Boronierung kann im Falle von Diamant erreicht werden
– Der Grad oder das Ausmaß der Boronierung ist leicht kontrolliert
– Der hohe Grad, zu welchem die Boronierung einheitlich oder homogen ist, ist eine intrinsische Eigenschaft des Verfahrens
– Ausgewählte Bereiche des Diamanten (und von anderem Kohlenstoff) können durch Kollimation der Photonen boroniert werden
– Boronierungsmuster in der Diamantprobe (und in anderen Kohlenstoffproben) können durch die Verwendung von "Schreiben" mit Elektronenstrahlen mit Milli- oder Mikrometerdurchmesser erreicht werden: Elektronenstrahlen mit Sub-Mikrometerdurchmesser sind erreichbar
– Die Boronierungseffekte sind nicht Strahlschadeneffekte, sondern echte Transmutationseffekte, und können deshalb nicht ausgetempert oder auf eine andere Weise entfernt werden – einmal boroniert, ist die Boronierung permanent
– p-Typ-Dotierung von Diamant kann erreicht werden auf einer Probengrößenskala von Mikro bis Makro, für eine Probenanzahl von klein bis sehr groß, in einem Prozeß, welcher sich selbst leicht für industrielle Produktion eignet
– Photonenbestrahlung ist nicht auf einzelne Proben beschränkt; Mehrfachprobensätze können simultan bestrahlt werden
– Effekte, die ähnlich zu den durch Photonenbestrahlung erreichten sind, können durch die Verwendung der folgenden Reaktionen erreicht werden (e^–, e^–p) (e⁺, e⁺p) (e^–, e^–n) (e⁺, e⁺n) (μ^–, μ^–p) (μ⁺, μ⁺p) (μ^–, μ^–n) (μ⁺, μ⁺n)

Durch das Verfahren der Erfindung hergestellter halbleitender Diamant hat eine besondere Anwendung im Gebiet von Detektoren.
Die Verwendung von Diamant als ein Detektor für Strahlung hat eine lange Geschichte, aber sie ist immer noch nicht als Routine in der Praxis realisiert worden. Es gibt viele Kapitel in dieser Geschichte, beginnend bei Detektoren mit Energieauflösung bezüglich von alpha-, beta- und anderen geladenen Teilchen, bis hin zu Thermolumineszenzdetektoren, Festkörper-(Ionisations)-Detektoren, zu aus CVD-Diamanten hergestellten Detektoren, die auch als spuranzeigende Vorrichtungen für die Region in der unmittelbaren Nachbarschaft der kollidierenden Strahlen, zum Beispiel in dem neuen großen Hadronen-Kollidierer (large hardron collider LHC) am CERN vorgesehen, bis zu Detektoren zur Verwendung in medizinischen (einschließlich dosimetrischen) Anwendungen, wobei die Gewebeäquivalenz von Diamant eine zusätzliche Eigenschaft ist. Das Streben verbleibt, wobei jeder die potentiellen Vorteile der bemerkenswerten physikalischen Eigenschaften von Diamant, beginnend mit seiner weiten Bandlücke, erkennt.
Die Erfindung trägt zu dieser Situation die reichhaltige Bereitstellung von p-Typ-dotierten Diamant bei, als Einkristall oder in polykristalliner Form, von Diamant-ähnlichem Kohlenstoff und sowohl natürlichem als auch synthetischem vom Menschen geschaffenen Diamant (sowohl durch Hochdruck/Hochtemperatur- als auch durch CVD-Techniken hergestellt), alle leicht verfügbar durch die photonukleare Transmutation von Kohlenstoff zu Bor, indem die hohe Ausbeute der Giant-Dipol-Resonanz ausgenutzt wird. Unter ausgewählten Umständen kann Bremsstrahlung von dicken oder dünnen Targets einfach verwendet werden, in anderen Fällen werden besser monochromatische Photonen eingesetzt, und in wiederum anderen Umständen wird ein Band von Photonenenergien am Besten verwendet.
Muster von Boronierung können für spezielle Anwendungen von Detektoren oder Vorrichtungen im Allgemeinen produziert werden, entweder durch Kollimation oder durch die Verwendung von Elektronen/Positronenstrahlen von Mikrondurchmesser mit Schreibefähigkeit.
Verschiedene Formen von Detektor und Anwendungsgebieten sind, zum Beispiel:
Halbleiter-Detektoren für geladende Teilchen und Elektronen
Neutronen-Detektoren
Thermolumineszenz-Detektoren
Detektoren und bildgebende Vorrichtungen in Ultrahochenergie- und intensiven Strahlungsfeldumständen
1-dimensionale und 2-dimensionale positionsempfindliche Detektoren
Detektoren mit ultra-niedrigem Hintergrund (ultra-low background)
Medizinische bildgebende und dosimetrische Detektoren
Es ist beobachtet worden, daß plasmabehandelter, Bor-dotierter Diamant wesentlich verbesserte sekundäre Elektronenemissionseffizienzen im Vergleich mit undotiertem Diamant zeigen kann. Diamant ist deshalb eine sehr gute Alternative zu Metallen als sekundärer Elektronenemitter aus vielen Gründen, einschließlich seiner Stärke, welche ihn sehr viel weniger empfindlich gegenüber Schaden machen würde, und im Falle von dünnen Diamantfilmen gegenüber Zerreißen.
Sehr dünne Diamantfilme, bordotiert und oberflächenbehandelt nach dem Verfahren der Erfindung, würden viel überlegenere Positronen-thermalisierende Moderatoren darstellen, und ebenso Niederenergie-Elektron/Positron-"Start"-Detektoren.

Claims

Ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff mit elektrisch aktiven Bor-Stellen weist die Schritte auf: Zur Verfügung stellen einer Kohlenstoffquelle und Aussetzen dieser Quelle gegenüber einer Strahlung mit einer Energie, die geeignet ist, die photonukleare Transmutation von einigen der Kohlenstoffatome in Bor zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffquelle Diamant oder diamantähnliches Material ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Bestrahlung mittels Photonen erfolgt.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Photonen Gammastrahlen sind.
Ein Verfahren gemäß irgendeinem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Energie der Strahlung gewählt wird, um die Giant-Dipol-Resonanz (GDR) in dem Kohlenstoff anzuregen.
Ein Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Bestrahlung mittels monoenergetischer Photonen erfolgt.
Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bestrahlung mittels einem Photonenenergieband ausgewählter Breite und mittlerer Energie erfolgt.
Ein Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Energie der Strahlung gewählt wird, um die Transmutation von einigen der Kohlenstoffatome in Bor gemäß der photonuklearen Reaktion ¹²C(γ, p)¹¹B zu bewirken.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Energie der Strahlung so gewählt wird, dass die photonukleare Reaktion ¹²D(γ, p)¹¹B die vorherrschende Reaktion ist.
Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Energie der Strahlung gewählt wird, um die Transmutation von einigen der Kohlenstoffatome in Bor gemäß der photonuklearen Reaktion: ¹²C(γ, n)¹¹C ¹¹C → β⁺ + ¹¹B zu bewirken.
Ein Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Energie der Strahlung im Bereich von 165 MeV bis 32 MeV liegt.