Каскад столкновений

В физике конденсированного состояния каскад столкновений (также известный как каскад смещений или всплеск смещения ) представляет собой набор близлежащих соседних энергетических (намного более высоких, чем обычные тепловые энергии ) столкновений атомов , вызванных энергичной частицей в твердом теле или жидкости . [1] [2]
Если максимальные энергии атомов или ионов в каскаде столкновений превышают пороговую энергию смещения материала (десятки эВ или более), столкновения могут навсегда сместить атомы из их решетки узлов и вызвать дефекты . Исходным энергетическим атомом может быть, например, ион из ускорителя частиц , отдача атома, произведенная проходящим нейтроном высокой энергии , электроном или фотоном , или образовавшаяся при распаде радиоактивного ядра и дающая атому энергию отдачи.
Характер каскадов столкновений может сильно различаться в зависимости от энергии и массы отдачи/падающего иона и плотности материала ( тормозной способности ).
Линейные каскады
[ редактировать ]
Когда начальная масса отдачи/иона мала, а материал, в котором происходит каскад, имеет низкую плотность (т. е. комбинация материала отдачи и материала имеет низкую тормозную способность ), столкновения между атомами начальной отдачи и атомами образца происходят редко и могут быть хорошо понимать как последовательность независимых бинарных столкновений между атомами. Этот тип каскада теоретически можно хорошо рассмотреть, используя подход моделирования приближения бинарных столкновений (BCA). Например, можно ожидать, что ионы H и He с энергией ниже 10 кэВ приведут к чисто линейным каскадам во всех материалах.

Наиболее часто используемый код BCA SRIM. [3] может использоваться для моделирования линейных каскадов столкновений в неупорядоченных материалах для всех ионов во всех материалах до энергии ионов 1 ГэВ . Однако обратите внимание, что SRIM не учитывает такие эффекты, как повреждение, вызванное выделением электронной энергии, или повреждение, вызванное возбужденными электронами. Используемые ядерные и электронные тормозные способности являются усредненными, подходящими для экспериментов, и поэтому также не являются совершенно точными. Электронную тормозную способность можно легко включить в приближение бинарных столкновений. [4] или моделирование молекулярной динамики (МД). В моделировании МД их можно учитывать либо как силу трения. [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] или более продвинутым способом, также следя за нагревом электронных систем и объединяя электронные и атомные степени свободы. [13] [14] [15] Однако остается неопределенность относительно того, каков подходящий низкоэнергетический предел электронной тормозной способности или электрон-фононного взаимодействия. [12] [16]
В линейных каскадах набор отдач, возникающих в образце, можно описать как последовательность поколений отдачи в зависимости от того, сколько шагов столкновения прошло с момента первоначального столкновения: первичные атомы-выбивания (PKA), вторичные атомы-выбивания (SKA). , третичные атомы-приглушенные (TKA) и т. д. Поскольку крайне маловероятно, что вся энергия будет передана атому-выбиванию, каждое поколение атомов отдачи имеет в среднем меньше энергии, чем предыдущее, и в конечном итоге Энергия атомов опускается ниже пороговой энергии смещения для нанесения ущерба, и в этот момент повреждение больше не может быть произведено.
Тепловые всплески (тепловые всплески)
[ редактировать ]Когда ион достаточно тяжелый и энергичный, а материал плотный, столкновения между ионами могут происходить настолько близко друг к другу, что их нельзя считать независимыми друг от друга. В этом случае процесс становится сложным процессом многочастичных взаимодействий между сотнями и десятками тысяч атомов, который нельзя рассматривать с помощью БСА, но можно моделировать методами молекулярной динамики . [1] [17]

Обычно тепловой всплеск характеризуется образованием переходной области пониженной плотности в центре каскада и области повышенной плотности вокруг нее. [1] [18] После каскада сверхплотная область становится межузельными дефектами , а пониженная плотность обычно становится областью вакансий .
Если кинетическую энергию атомов в области плотных столкновений пересчитать в температуру (с помощью основного уравнения E = 3/2·N·k B T), то окажется, что кинетическая энергия в единицах температуры изначально имеет порядок 10 000 К. Из-за этого эту область можно считать очень горячей, и поэтому ее называют тепловым всплеском или тепловым всплеском (эти два термина обычно считаются эквивалентными). Тепловой всплеск остывает до температуры окружающей среды за 1–100 пс, поэтому «температура» здесь не соответствует температуре термодинамического равновесия. Однако было показано, что примерно после трех колебаний решетки распределение кинетической энергии атомов в тепловом пике имеет распределение Максвелла – Больцмана , [19] что делает использование понятия температуры несколько оправданным. Более того, эксперименты показали, что тепловой всплеск может вызвать фазовый переход, который, как известно, требует очень высокой температуры. [20] показывая, что концепция (неравновесной) температуры действительно полезна при описании каскадов столкновений.
Во многих случаях одно и то же условие облучения представляет собой комбинацию линейных каскадов и тепловых всплесков. Например, ионы Cu с энергией 10 МэВ , бомбардирующие Cu, первоначально будут двигаться в решетке в линейном каскадном режиме, поскольку ядерная тормозная способность мала. Но как только ион Cu достаточно замедлится, тормозная способность ядра увеличится и произойдет всплеск тепла. Более того, многие первичные и вторичные отдачи входящих ионов, вероятно, будут иметь энергию в диапазоне кэВ и, таким образом, вызывать тепловой всплеск.
Например, при облучении меди энергия отдачи около 5–20 кэВ почти гарантированно вызывает тепловые всплески. [21] [22] При более низких энергиях энергия каскада слишком мала для образования жидкоподобной зоны. При гораздо более высоких энергиях ионы Cu, скорее всего, первоначально приведут к линейному каскаду, но отдача может привести к тепловым всплескам, как и первоначальный ион, когда он достаточно замедлится. Концепция пороговой энергии субкаскадного пробоя означает энергию, выше которой отдача в материале может вызвать несколько изолированных тепловых всплесков, а не один плотный.
Анимации каскадов столкновений в режиме теплового всплеска, основанные на компьютерном моделировании, доступны на YouTube. [23]
Быстрые тепловые пики тяжелых ионов
[ редактировать ]Быстрые тяжелые ионы , т.е. тяжелые ионы МэВ и ГэВ, которые наносят ущерб из-за очень сильного электронного торможения , также могут считаться вызывающими тепловые всплески. [24] [25] в том смысле, что они приводят к сильному нагреву решетки и переходной неупорядоченной атомной зоне. Однако, по крайней мере, начальную стадию повреждения можно было бы лучше понять с точки зрения механизма кулоновского взрыва . [26] Независимо от механизма нагрева, хорошо известно, что быстрые тяжелые ионы в изоляторах обычно оставляют ионные треки, образующие длинные цилиндрические зоны повреждения. [24] [27] пониженной плотности. [28] [29]
Шкала времени
[ редактировать ]Чтобы понять природу каскада столкновений, очень важно знать связанный с ним масштаб времени. Баллистическая фаза каскада, когда начальный ион/отдача и его первичная и низшая отдачи имеют энергии, значительно превышающие пороговую энергию смещения , обычно длится 0,1–0,5 пс. Если образуется тепловой всплеск, он может существовать в течение примерно 1–100 пс, пока температура всплеска существенно не остынет до температуры окружающей среды. [30] Охлаждение каскада происходит за счет решеточной теплопроводности и за счет электронной теплопроводности после того, как горячая ионная подсистема разогрела электронную за счет электрон-фононного взаимодействия . К сожалению, скорость электрон-фононного взаимодействия горячей и неупорядоченной ионной системы малоизвестна, поскольку ее нельзя трактовать так же, как достаточно известный процесс передачи тепла от горячих электронов к неповрежденной кристаллической структуре. [31] Наконец, фаза релаксации каскада, когда образовавшиеся дефекты, возможно, рекомбинируют и мигрируют, может длиться от нескольких пс до бесконечного времени в зависимости от материала, его свойств миграции и рекомбинации дефектов , а также температуры окружающей среды.
Эффекты
[ редактировать ]
Производство урона
[ редактировать ]Поскольку кинетическая энергия в каскаде может быть очень высокой, она может локально вывести материал далеко за пределы термодинамического равновесия. Обычно это приводит к бракованному производству. Дефектами могут быть, например, точечные дефекты, такие как Пары Френкеля , упорядоченные или неупорядоченные дислокационные петли, дефекты упаковки, [32] или аморфные зоны. [33] Длительное облучение многих материалов может привести к их полной аморфизации, эффект, который регулярно возникает при ионной имплантации кремниевых чипов . [34]
Образование дефектов может быть вредным, например, в ядерных реакторах деления и термоядерного синтеза, где нейтроны медленно ухудшают механические свойства материалов, или полезным и желаемым эффектом модификации материалов, например, когда ионы вводятся в полупроводниковые структуры с квантовыми ямами для ускорения процесса. действие лазера. [35] или для укрепления углеродных нанотрубок. [36]
Любопытная особенность каскадов столкновений заключается в том, что итоговый объем нанесенного ущерба может быть намного меньше, чем количество атомов, первоначально затронутых тепловыми всплесками. Окончательное повреждение после фазы теплового пика, особенно в чистых металлах, может быть на порядки меньше, чем количество атомов, смещенных в пике. [1] С другой стороны, в полупроводниках и других материалах с ковалентной связью количество повреждений обычно аналогично числу смещенных атомов. [1] [22] Ионные материалы могут вести себя как металлы или полупроводники в отношении доли рекомбинируемых повреждений. [37]
Другие последствия
[ редактировать ]Каскады столкновений вблизи поверхности часто приводят к распылению , как в режиме линейного всплеска, так и в режиме теплового всплеска. [21] Скачки тепла вблизи поверхностей также часто приводят к образованию кратеров. [38] [39] Образование кратеров вызвано жидким потоком атомов. [40] но если размер снаряда превышает примерно 100 000 атомов, механизм образования кратеров переключается на тот же механизм, что и механизм макроскопических кратеров, образующихся от пуль или астероидов. [41]
Тот факт, что многие атомы смещаются каскадно, означает, что ионы можно использовать для целенаправленного смешивания материалов, даже тех, которые обычно термодинамически несмешиваются. Этот эффект известен как смешивание ионных пучков . [42]
Неравновесный характер облучения также можно использовать для вывода материалов из термодинамического равновесия и, таким образом, для образования новых видов сплавов. [43]
См. также
[ редактировать ]- Душ частиц , набор бинарных столкновений между частицами высоких энергий, часто с участием ядерных реакций.
- Радиационное материаловедение
- Конференция КОСИРЕС
- Конференция РЭИ
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Р. С. Авербак и Т. Диас де ла Рубиа (1998). «Повреждения смещения в облученных металлах и полупроводниках». В Х. Эренфесте; Ф. Спепен (ред.). Физика твердого тела . Том. 51. Академическая пресса . стр. 281–402.
- ^ Р. Смит, изд. (1997). Столкновения атомов и ионов в твердых телах и на поверхностях: теория, моделирование и приложения . Издательство Кембриджского университета . ISBN 0-521-44022-Х .
- ^ Веб-сайт SRIM
- ^ Робинсон, Монтана (1974). «Компьютерное моделирование каскадов атомных смещений в твердых телах в приближении бинарных столкновений». Физ. Преподобный Б. 9 (12): 12. Бибкод : 1974PhRvB...9.5008R . дои : 10.1103/physrevb.9.5008 .
- ^ Нордлунд, К. (1995). «Молекулярно-динамическое моделирование диапазонов ионов в диапазоне энергий 1-100 кэВ». Вычислить. Матер. Наука . 3 (4): 448. doi : 10.1016/0927-0256(94)00085-q .
- ^ Бердмор, К. (1998). «Эффективная молекулярно-динамическая схема для расчета профилей легирующих примесей вследствие ионной имплантации». Физ. Преподобный Е. 57 (6): 7278. arXiv : физика/9901054 . Бибкод : 1998PhRvE..57.7278B . дои : 10.1103/PhysRevE.57.7278 . S2CID 13994369 .
- ^ Катурла, М. (1996). «Ионно-лучевая обработка кремния при энергии кэВ: исследование молекулярной динамики». Физ. Преподобный Б. 54 (23): 16683–16695. Бибкод : 1996PhRvB..5416683C . дои : 10.1103/PhysRevB.54.16683 . ПМИД 9985796 . S2CID 38579564 .
- ^ Хоблер, Г. (2001). «О полезной области применения моделирования молекулярной динамики в приближении взаимодействия отдачи». Нукл. Инструмент. Методы Физ. Рез. Б. 180 (1–4): 203. Бибкод : 2001NIMPB.180..203H . дои : 10.1016/s0168-583x(01)00418-9 .
- ^ Смит, Р. (1997). «Молекулярно-динамическое моделирование бомбардировки ионами Ni {100} с энергией 0,1–2 кэВ». Рад. Эфф. Деф. В Сол . 141 (1–4): 425. дои : 10.1080/10420159708211586 .
- ^ Дувенбек, А. (2007). «Продвижение электронов и электронное трение в каскадах атомных столкновений» . Нью Дж. Физ . 9 (2): 38. Бибкод : 2007NJPh....9...38D . дои : 10.1088/1367-2630/2/09/038 .
- ^ Хоу, М. (2000). «Осаждение кластеров AuN на поверхности Au (111). I. Моделирование в атомном масштабе». Физ. Преподобный Б. 62 (4): 2825. Бибкод : 2000PhRvB..62.2825H . дои : 10.1103/PhysRevB.62.2825 . S2CID 123595658 .
- ^ Jump up to: а б Бьоркас, К. (2009). «Оценка связи между смешиванием ионного пучка, электрон-фононным взаимодействием и образованием повреждений в Fe». Нукл. Инструмент. Методы Физ. Рез. Б. 267 (10): 1830. Бибкод : 2009NIMPB.267.1830B . дои : 10.1016/j.nimb.2009.03.080 .
- ^ Проннеке, С. (1991). «Влияние потерь электронной энергии на динамику тепловых выбросов в Cu» (PDF) . Журнал исследования материалов . 6 (3): 483. Бибкод : 1991JMatR...6..483P . дои : 10.1557/jmr.1991.0483 .
- ^ Даффи, DM (2007). «Включая эффекты электронной остановки и электрон-ионного взаимодействия при моделировании радиационных повреждений». J. Phys.: Condens. Иметь значение . 17 (1): 016207. Бибкод : 2007JPCM...19a6207D . дои : 10.1088/0953-8984/19/1/016207 . S2CID 122777435 .
- ^ Тамм, А. (2016). «Электрон-фононное взаимодействие в рамках классической молекулярной динамики». Физ. Преподобный Б. 94 (1): 024305. Бибкод : 2016PhRvB..94a4305L . дои : 10.1103/PhysRevB.94.014305 .
- ^ Санд, А.Е. (2014). «Производство радиационных повреждений в массивных каскадах, инициируемых термоядерными нейтронами в вольфраме». Дж. Нукл. Мэтр . 455 (1–3): 207. Бибкод : 2014JNuM..455..207S . дои : 10.1016/j.jnucmat.2014.06.007 .
- ^ Дж. Гибсон; А. Голанд; М. Милгрэм; Г. Виньярд (1960). «Динамика радиационного поражения». Физический обзор . 120 (4): 1229. Бибкод : 1960PhRv..120.1229G . дои : 10.1103/PhysRev.120.1229 .
- ^ Ф. Зейтц; Дж. С. Келер (1956). «Смещение атомов при облучении». У Ф. Зейтца; Д. Тернбулл (ред.). Физика твердого тела . Том. 2. Академическая пресса . п. 307.
- ^ Т. де ла Рудиа; Р. Авербак; Р. Бенедек; В. Кинг (1987). «Роль тепловых всплесков в каскадах энергетических смещений». Письма о физических отзывах . 59 (17): 1930–1933. Бибкод : 1987PhRvL..59.1930D . doi : 10.1103/PhysRevLett.59.1930 . ПМИД 10035371 .
- ^ А. Мелдрам; С. Дж. Зинкл; Л. А. Боатнер; Р. К. Юинг (1998). «Переходная жидкоподобная фаза в каскадах смещения циркона, гафнона и торита» (PDF) . Природа . 395 (6697): 56. Бибкод : 1998Natur.395...56M . дои : 10.1038/25698 . hdl : 2027.42/62853 . S2CID 204996702 .
- ^ Jump up to: а б Р. Адерьян; Х. Урбассек (2000). «Молекулярно-динамическое исследование кратеров, образовавшихся в результате воздействия энергичного кластера меди на медь». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция Б. 164–165: 697–704. Бибкод : 2000НИМПБ.164..697А . дои : 10.1016/S0168-583X(99)01111-8 .
- ^ Jump up to: а б К. Нордлунд; и др. (1998). «Производство дефектов в каскадах столкновений в элементарных полупроводниках и ГЦК-металлах». Физический обзор B . 57 (13): 7556–7570. Бибкод : 1998PhRvB..57.7556N . дои : 10.1103/PhysRevB.57.7556 . S2CID 55789148 .
- ^ Поиск «каскад смещения» , YouTube.com
- ^ Jump up to: а б А. Мефтах; и др. (1994). «Трекообразование в кварце SiO 2 и механизм термоспайка». Физический обзор B . 49 (18): 12457–12463. Бибкод : 1994PhRvB..4912457M . дои : 10.1103/PhysRevB.49.12457 . ПМИД 10010146 .
- ^ К. Траутманн; С. Клаумюнцер; Х. Тринкаус (2000). «Влияние напряжения на образование треков в аморфном сплаве железа и бора: ионные треки как упругие включения» . Письма о физических отзывах . 85 (17): 3648–51. Бибкод : 2000PhRvL..85.3648T . doi : 10.1103/PhysRevLett.85.3648 . ПМИД 11030972 .
- ^ Э. Бринга; Р. Джонсон (2002). «Кулоновский взрыв и тепловые всплески». Письма о физических отзывах . 88 (16): 165501. arXiv : cond-mat/0103475 . Бибкод : 2002PhRvL..88p5501B . doi : 10.1103/PhysRevLett.88.165501 . ПМИД 11955237 . S2CID 11034531 .
- ^ Д. Канджиджал (2001). «Быстрая модификация материалов, вызванная тяжелыми ионами, и образование треков» (PDF) . Современная наука . 80 :1560.
- ^ П. Клут; и др. (2008). «Тонкая структура треков быстрых тяжелых ионов в аморфном SiO 2 ». Письма о физических отзывах . 101 (17): 175503. Бибкод : 2008PhRvL.101q5503K . doi : 10.1103/PhysRevLett.101.175503 . hdl : 10440/862 . ПМИД 18999762 .
- ^ Д. Альбрехт; и др. (1985). «Исследование дефектных структур тяжелых ионов в изоляторах методом малоуглового рассеяния». Прикладная физика А. 37 (1): 37–46. Бибкод : 1985АпФА..37...37А . дои : 10.1007/BF00617867 . S2CID 94620228 .
- ^ А. Штручбери; Е. Безакова (1999). «Время жизни термического пика из-за эффектов предравновесия пикосекундной длительности в сверхтонких магнитных полях после ионной имплантации». Письма о физических отзывах . 82 (18): 3637. Бибкод : 1999PhRvL..82.3637S . doi : 10.1103/PhysRevLett.82.3637 .
- ^ И. Копонен (1993). «Перенос энергии между электронами и ионами в плотных каскадах смещений». Физический обзор B . 47 (21): 14011–14019. Бибкод : 1993PhRvB..4714011K . дои : 10.1103/PhysRevB.47.14011 . ПМИД 10005739 .
- ^ К. Нордлунд; Ф. Гао (1999). «Образование тетраэдров с дефектом упаковки в каскадах столкновений». Письма по прикладной физике . 74 (18): 2720. Бибкод : 1999ApPhL..74.2720N . дои : 10.1063/1.123948 .
- ^ МО Руо; Ж. Шомон; Дж. М. Пениссон; А. Бурре (1984). «Высокое разрешение и исследование дефектов в биоблученном кремнии in situ». Философский журнал А. 50 (5): 667. Бибкод : 1984PMagA..50..667R . дои : 10.1080/01418618408237526 .
- ^ Э. Чейсон; и др. (1997). «Ионные пучки в обработке и характеристике кремния» (PDF) . Журнал прикладной физики . 81 (10): 6513–6561. Бибкод : 1997JAP....81.6513C . дои : 10.1063/1.365193 . Архивировано из оригинала (PDF) 23 июня 2010 г.
- ^ VDS Дакка; и др. (2006). «Сверхбыстрая динамика Ni+-облученных и отожженных множественных квантовых ям GaInAs/InP». Физический журнал Д. 39 (13): 2659–2663. Бибкод : 2006JPhD...39.2659D . дои : 10.1088/0022-3727/39/13/004 . S2CID 55536038 .
- ^ А. Кис; и др. (2004). «Армирование пучков одностенных углеродных нанотрубок путем перемычки между трубками». Природные материалы . 3 (3): 153–7. Бибкод : 2004NatMa...3..153K . дои : 10.1038/nmat1076 . ПМИД 14991016 . S2CID 11422662 .
- ^ К. Траченко (2004). «Понимание устойчивости к аморфизации вследствие радиационного повреждения». Физический журнал: конденсированное вещество . 16 (49): Р1491–Р1515. Бибкод : 2004JPCM...16R1491T . дои : 10.1088/0953-8984/16/49/R03 . S2CID 123658664 .
- ^ Р. Уэбб; Д. Харрисон (1983). «Компьютерное моделирование образования ямок в металлах при ионной бомбардировке». Письма о физических отзывах . 50 (19): 1478. Бибкод : 1983PhRvL..50.1478W . дои : 10.1103/PhysRevLett.50.1478 . hdl : 10945/44927 . S2CID 120756958 .
- ^ В. Йегер; К. Л. Меркл (1988). «Формирование кластеров дефектов в каскадах высокой плотности энергии в золоте». Философский журнал А. 57 (3): 479. Бибкод : 1988PMagA..57..479J . дои : 10.1080/01418618808204681 .
- ^ М. Гали; Р. Авербак (1994). «Влияние вязкого потока на ионное повреждение вблизи твердых поверхностей». Письма о физических отзывах . 72 (3): 364–367. Бибкод : 1994PhRvL..72..364G . дои : 10.1103/PhysRevLett.72.364 . ПМИД 10056412 .
- ^ Дж. Самела; К. Нордлунд (2008). «Атомистическое моделирование перехода от атомистического к макроскопическому кратерированию». Письма о физических отзывах . 101 (2): 027601. Бибкод : 2008PhRvL.101b7601S . doi : 10.1103/PhysRevLett.101.027601 . ПМИД 18764228 . S2CID 15787700 .
- ^ Т. Пугачева; Ф. Гжурабекова; С. Хвалиев (1998). «Эффекты каскадного смешивания, распыления и диффузии при облучении высокими дозами легких ионов нитрида бора». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция Б. 141 (1–4): 99–104. Бибкод : 1998НИМПБ.141...99П . дои : 10.1016/S0168-583X(98)00139-6 .
- ^ Пугачева Т; Гджурабекова, Ф; Хвалиев, С (1998). «Эффекты каскадного смешивания, распыления и диффузии при облучении высокими дозами легких ионов нитрида бора». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция Б. 141 (1–4): 99–104. Бибкод : 1998НИМПБ.141...99П . дои : 10.1016/S0168-583X(98)00139-6 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]СМИ, связанные с каскадом столкновений, на Викискладе?