Первичные структурные нарушения, распыление и десорбция при облучении поверхности монокристаллов и нанокластеров низкоэнергетическими атомарными частицами и многоатомными кластерами

• Автор: Журкин, Евгений Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 193 с. : ил.

Оглавление
Список условных обозначений и сокращений
Введение
1. Численная реализация математической модели воздействия пучков заряженных
частиц и кластеров на приповерхностную область мишени
1.1 Краткая аннотация
1.2 Потенциалы межатомного взаимодействия в металлах
1.3 Потенциалы межатомного взаимодействия в полупроводниках
1.4 Алгоритм метода классической молекулярной динамики
1.5 Результаты и выводы главы
2 Теоретическое исследование и математическое моделирование процессов в
приповерхностной области твердотельной мишени при воздействии пучков
заряженных частиц и кластеров
2.1 Краткая аннотация главы
2.2 Методика моделирования и характеристики каскада соударений при ионной и кластерной бомбардировке
2.3 Исследование каскадных процессов в металлах под воздействием пучков ускоренных многоатомных кластеров
2.4 Исследование каскадных процессов в кубическом карбиде кремния под воздействием пучков ускоренных многоатомных кластеров
2.5 Исследование каскадных процессов в кремнии и алюминии под воздействием
пучков ускоренных многоатомных кластеров
2.6 Результаты и выводы главы
3. Изучение характеристик процессов вторичной эмиссии при ионной и кластерной бомбардировке поверхности твердого тела
3.1 Введение и аннотация главы
3.2 Методика моделирования
3.3 Исследование процессов распыления металлов при кластерной бомбардировке
3.4 Исследование процессов распыления полупроводников при кластерной бомбардировке
3.5 Основные результаты и выводы главы
4. Изучение особенностей микрорельефа поверхности при бомбардировке ускоренными частицами
4.1 Введение и краткая аннотация
4.2 Методика моделирования

4.3 Особенности микрорельефа поверхности, формируемого при кластерной бомбардировке металлов. Временная эволюция морфологии поверхности
4.4 Количественные характеристики кратерообразования: зависимость от размера налетающего кластера
4.5 Количественные характеристики кратерообразования: зависимость от энергии налетающего кластера
4.6 Сравнительный анализ кратерообразования в металлах и полупроводниковых
материалах
4.7. Основные результаты и выводы главы
5. Изучение особенностей первичного радиационного повреждения поверхности металлов и полупроводников и их корреляции с динамикой каскада соударений при бомбардировке частицами
5.1 Введение и краткая аннотация главы
5.2 Методика моделирования
5.3 Особенности первичного радиационного повреждения меди и никеля при кластерной бомбардировке
5.4 Особенности первичного радиационного повреждения алюминия и полупроводниковых мишеней (Si, SiC) при кластерной бомбардировке
5.5 Основные результаты и выводы по главе
6. Особенности и механизмы распыления нанокластеров
6.1 Введение и краткая аннотация главы
6.2 Методика моделирования
6.3. Распыление нанокластера при бомбардировке одноатомными ионами
6.4. Распыление нанокластера при бомбардировке кластерными ионами Ащоо
6.5 Основные результаты и выводы по главе
7. Десорбция нанокластеров при ионной и кластерной бомбардировке
7.1. Введение и краткая аннотация главы
7.2. Методика исследований
7.3 Десорбция нанокластеров при ионной и кластерной бомбардировке: результаты
и обсуждение
7.4 Основные результаты и выводы по главе
Заключение
Список использованных источников
Список публикаций автора по теме диссертации:

Список условных обозначений и сокращений.
МД - метод молекулярной динамики
ао- константа кристаллической решетки материала.
Оцк (fcc)- объемоцентрированная кубическая кристаллическая решетка Гцк (bec)- гранецентрированная кубическая кристаллическая решетка Е - Кинетическая энергия иона или кластера N - Число атомов в налетающем кластере
E/N - Кинетическая энергия кластера, состоящего из N атомов, приходящаяся на один его атом
Есин. Энергия когезии (связи) атомов кристалла Тт -температура плавления вещества Т - Температура мишени кв - постоянная Больцмана
Zi, Z2 -Атомные числа двух взаимодействующих атомов Z - текущее координационное число атома в кристалле;
Zo— координационное число атома в идеальном кристалле;
Yn - коэффициент распыления в пересчете на один атом налетающего кластера с числом атомов N.
Y - коэффициент распыления (полный).
V — объём кратера в приаоверхностной области мишени.
Vn- объём кратера в приаоверхностной области мишени в пересчете на один атом налетающего кластера с числом атомов N.
D - глубина кратера.
dE/dx - средние потери энергии.
є - поглощенная энергия на один атом кластера
tpeak - характерное время каскада;
trecomb - время рекомбинации первичных дефектов;
Nvllc/N - среднее число вакансий в пересчете на один атом кластера;
Nint/N - среднее число междоузлий в пересчете на один атом кластера;
Ncrat/N - среднее число атомов в образовавшемся кратере;
AAr/N - среднее число атомов в мишени с пониженным координационным числом, приходящееся на один атом налетающего кластера;
ААҐ/N- среднее число атомов в мишени с избыточным координационным числом, приходящееся на один атом налетающего кластера.

тельные отклонения от предсказаний теории линейных каскадов, а с другой - неаддитивность наблюдаемых явлений, т.е. результирующий эффект от внедрения кластера может значительно превышать сумму соответствующих эффектов от внедрения одиночных атомов. В частности, распыление может продолжаться и на посткаскадной стадии в течение достаточно длительного времени, вплоть до нескольких пикосекунд. Учитывая, что явления пиков не могут быть описаны с помощью широко используемого метода Монте-Карло, основанного на приближении парных столкновений, наиболее подходящим инструментом для моделирования процессов взаимодействия нанокластеров с поверхностью и распыления в нелинейном режиме является метод классической молекулярной динамики. В расках данного метода временная эволюция приповерхностной области мишени после внедрения кластера может быть отслежена визуально. В качестве нескольких типичных примеров на рисунках 2.2-2.4 представлена визуализация поперечных срезов центральной части модельного кристалла Cu(l 11) в различные моменты времени после внедрения иона Cui и кластеров Cun при N=13, 55. Цветом указана кинетическая энергия атома. Можно отметить две важные энергии, являющиеся характерными для оценки характера происходящих в каскаде процессов: энергия когезии (связи), Emh и энергия, соответствующая точке плавления материала, равная (3/2)кцТ„„ где Т„, - температура плавления (для Си данные величины составляют Есо/, =3.54 эВ и Тт =1356 К, соответственно). При этом можно считать, что «движущиеся» (каскадные) атомы имеют кинетическую энергию Ець, > Есои■ Как можно видеть, в случае внедрения иона, вторичная эмиссия имеет место только на стадии столкновителыюго каскада (т.е. в течение времени порядка 0.3 пс.), в то время как разупорядоченная область в зоне столкновения присутствует в течение нескольких пикосекунд. Видно, что каскад не является «плотным», поскольку в зоне каскада достаточное число атомов является практически неподвижными (Еы„ « Ecoh). На посткаскадной стадии в разупорядоченной области не наблюдается эффекта локального плавления. Как результат, на поверхности мишени формируется некоторое число адатомов и/или «островки» из адатомов.
Внедрение кластера большого размера с такой же начальной энергией на атом, что и в случае с одиночным ионом, приводит к принципиально иной картине: вторичная эмиссия имеет место в течение достаточно долгого времени (до нескольких пс) как на стадии столк-новитсльного каскада, так и на посткаскадной стадии теплового пика. Видно, что время жизни каскада увеличилось до 1 пс, при этом на начальной стадии каскада в его центральной области наблюдается «столкновительный пик», поскольку все атомы в данной области имеют энергию свыше Есо>,. В процессе остывания «ядро» каскада трансформируется в разряженную зону, периферия которой переходит в локально расплавленное состояние. Разупорядоченная локально расплавленная область в зоне развития каскада соударений сохраняется в течение