Приближение бинарных столкновений
В физике конденсированного состояния приближение бинарных столкновений ( BCA ) — это эвристика, используемая для более эффективного моделирования глубины проникновения и образования дефектов энергичными ионами (с кинетической энергией в диапазоне килоэлектронвольт ( кэВ ) или выше) в твердых телах . В этом методе ион перемещается через материал, испытывая последовательность независимых бинарных столкновений с атомами образца ( ядрами ). Предполагается, что между столкновениями ион движется по прямой траектории, испытывая электронную тормозную силу , но не теряя энергии при столкновениях с ядрами. [1] [2] [3]
Подходы к моделированию
[ редактировать ]В подходе BCA одиночное столкновение между входящим ионом и целевым атомом (ядром) рассматривается путем решения классического интеграла рассеяния между двумя сталкивающимися частицами для прицельный параметр налетающего иона. Решение интеграла дает угол рассеянияиона, а также его потери энергии атомам образца и, следовательно, какова энергия после столкновения по сравнению с энергией до него. [1] Интеграл рассеяния определяется в системе координат центра масс (две частицы сводятся к одной частице с одним межатомным потенциалом) и связывает угол рассеяния с межатомным потенциалом .
Также можно решить интеграл времени столкновения, чтобы узнать, сколько времени прошло во время столкновения. Это необходимо, по крайней мере, при использовании BCA в режиме «полного каскада», см. ниже.
Потери энергии электронам, т.е. электронная тормозная способность ,можно рассматривать либо с помощью моделей электронной остановки, зависящих от ударных параметров, [4] вычитая тормозную способность, зависящую только от скорости ионов только между столкновениями, [5] или сочетание двух подходов.
Методика выбора прицельного параметра разделила BCA-коды на два основных.Разновидности: коды «Монте-Карло» BCA и кристалл-BCA.
В так называемом Монте-Карло BCAрасстояние приближения и прицельный параметр следующего сталкивающегося атома выбирается случайным образомиз распределения вероятностей, которое зависит только от атомной плотности материала.Этот подход по существу моделирует прохождение ионов в полностью аморфном материале.(Обратите внимание, что некоторые источники называют эту разновидность БСА просто Монте-Карло, что означает вводит в заблуждение, так как название потом можно спутать с другим, совершенно другим. Разновидности моделирования Монте-Карло ). SRIM и SDTrimSP — это коды Монте-Карло BCA.
Также возможно (хотя и сложнее) реализовать методы BCA длякристаллические материалы, такие, что движущийся ион занимает определенное положение в кристалле,и определяется расстояние и прицельный параметр до следующего сталкивающегося атомасоответствовать атому в кристалле. В этом подходе можно использовать BCA.для моделирования также движения атомов во время каналирования . Такие коды, как MARLOWE, используют этот подход.
Приближение бинарных столкновений также можно расширить для моделирования динамическое изменение состава материала вследствие длительногоионное облучение, т.е. за счет ионной имплантации и распыления . [6]
При низких энергиях ионов приближение независимых столкновений между атомами начинает нарушаться.Эту проблему можно в некоторой степени решить, решив интеграл столкновений для нескольких одновременных столкновений. [3] [7] Однако при очень низких энергиях (ниже ~1 кэВ, более точную оценку см. [8] ) приближение BCA всегда не работает, и следует использовать молекулярную динамику подходы к моделированию ионного облучения, потому что они могут, в зависимости от конструкции, обрабатывать столкновения многих тел сколь угодно много атомов. МД-моделирование может либо следовать только за входящим ионом ( аппроксимация взаимодействия отдачи или RIA). [9] )или смоделировать все атомы, участвующие в каскаде столкновений . [10]
Каскадное моделирование столкновений BCA
[ редактировать ]Моделирование BCA можно дополнительно подразделить по типам в зависимости от того, являются ли ониследовать только за входящим ионом или также следить за отдачей, создаваемой ионом ( режим полного каскада , например, в популярном коде BCA SRIM ).Если код не учитывает вторичные столкновения (отдачи), количество дефектов затем рассчитывается с использованием расширения Робинсона модели Кинчина-Писа.
Если 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 вид каскада теоретически хорошо лечится с помощью BCA.
Оценка ущерба
[ редактировать ]Моделирование BCA естественным образом дает глубину проникновения ионов, латеральное распространение и распределение энергии ядерного и электронного осаждения в космосе. Их также можно использовать для оценки повреждений, причиняемых материалам, исходя из предположения, что любая отдача, которая получает энергию, превышающую пороговую энергию смещения материала, приведет к стабильному дефекту.
Однако этот подход следует использовать с большой осторожностью по нескольким причинам. Например, он не учитывает ни термически активированной рекомбинации повреждений, ни хорошо известного факта, что в металлах образование повреждений при высоких энергиях составляет лишь около 20% от предсказания Кинчина-Писа. [11] Более того, этот подход только прогнозирует возникновение повреждений, как если бы все дефекты были изолированы. пар Френкеля , тогда как в действительности во многих случаях каскады столкновений создают скопления дефектов или даже дислокации в качестве начального состояния повреждения. [12] [13] Однако коды BCA могут быть расширены за счет моделей кластеризации повреждений и рекомбинации, которые повышают их надежность в этом отношении. [14] [15] Наконец, для большинства материалов средняя пороговая энергия смещения не очень точно известна.
BCA-коды
[ редактировать ]- СРИМ [16] предлагает графический интерфейс пользователя и, вероятно, сейчас является наиболее используемым кодом BCA. Его можно использовать для моделирования линейных каскадов столкновений в аморфных материалах для всех ионов во всех материалах до энергии ионов 1 ГэВ . Однако обратите внимание, что SRIM не рассматривает такие эффекты, как каналирование , повреждение, вызванное выделением электронной энергии (необходимое, например, для описания быстрого повреждения материалов тяжелыми ионами) или повреждение, вызванное возбужденными электронами. Рассчитанный коэффициент распыления может быть менее точным, чем по другим кодам. [17]
- МАРЛОУ [2] [3] — это большой код, который может работать с кристаллическими материалами и поддерживать множество различных физических моделей.
- ТРИДИН, [6] более новые версии, известные как SDTrimSP , представляют собой код BCA, способный обрабатывать изменения динамической композиции.
- DART, французский код, разработанный CEA (Commisariat à l'Energie Atomique) в Сакле. Отличается от SRIM электронной тормозной способностью и аналитическим разрешением интеграла рассеяния (количество образующихся дефектов определяется по упругим сечениям и атомным концентрациям атомов). Ядерная тормозная способность определяется универсальным межатомным потенциалом (потенциалом ZBL), тогда как электронная тормозная способность выводится из уравнения Бете для протонов и Линдхарда-Шарфа для ионов.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Р. Смит (редактор), Столкновения атомов и ионов в твердых телах и на поверхностях: теория, моделирование и приложения , Cambridge University Press, Кембридж, Великобритания, 1997 г. ISBN 0-521-44022-X
- ^ Перейти обратно: а б Робинсон, М. (1992). «Компьютерное моделирование каскадов столкновений высоких энергий1» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция Б. 67 (1–4): 396–400. Бибкод : 1992НИМПБ..67..396Р . дои : 10.1016/0168-583X(92)95839-J .
- ^ Перейти обратно: а б с Робинсон, Марк; Торренс, Ян (1974). «Компьютерное моделирование каскадов атомных смещений в твердых телах в приближении бинарных столкновений». Физический обзор B . 9 (12): 5008. Бибкод : 1974PhRvB...9.5008R . дои : 10.1103/PhysRevB.9.5008 .
- ^ Л. М. Кишиневский, Сечения неупругих атомных столкновений, Бюлл. акад. наук. СССР, Физ. Сер. 26, 1433 (1962)
- ^ Дж. Ф. Зиглер, Дж. П. Бирсак и У. Литтмарк, Остановка и диапазон ионов в материи, 1985 г. ISBN 0-08-022053-3 и ссылки в нем.
- ^ Перейти обратно: а б Моллер, В; Экстайн, В. (1984). «Tridyn — код моделирования TRIM, включающий динамические изменения композиции». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция Б. 2 (1–3): 814–818. Бибкод : 1984НИМПБ...2..814М . дои : 10.1016/0168-583X(84)90321-5 .
- ^ Гартнер, К. (1995). «Круговое компьютерное моделирование переноса ионов через кристаллические слои». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция Б. 102 (1–4): 183–197. Бибкод : 1995НИМПБ.102..183Г . дои : 10.1016/0168-583X(95)80139-D .
- ^ Хоблер, Г. (2001). «О полезной области применения моделирования молекулярной динамики в приближении взаимодействия отдачи». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция Б. 180 (1–4): 203–208. Бибкод : 2001NIMPB.180..203H . дои : 10.1016/S0168-583X(01)00418-9 .
- ^ Нордлунд, К. (1995). «Молекулярно-динамическое моделирование диапазонов ионов в диапазоне энергий 1–100 кэВ» . Вычислительное материаловедение . 3 (4): 448–456. дои : 10.1016/0927-0256(94)00085-Q .
- ^ Де Ла Рубиа, Т.; Авербак, Р.; Бенедек, Р.; Кинг, В. (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 .
- ^ Р. С. Авербак и Т. Диас де ла Рубиа, Повреждения от смещения в облученных металлах и полупроводниках , в «Физике твердого тела» , изд. Х. Эренфест и Ф. Спепен, том 51, стр. 281–402, Academic Press, Нью-Йорк, 1998. ISBN 0-12-607751-7
- ^ Нордлунд, К.; Гали, М.; Авербак, Р.; Катурла, М.; Диас Де Ла Рубиа, Т.; Тарус, Дж. (1998). «Производство дефектов в каскадах столкновений в элементарных полупроводниках и ГЦК-металлах» (PDF) . Физический обзор B . 57 (13): 7556. Бибкод : 1998PhRvB..57.7556N . дои : 10.1103/PhysRevB.57.7556 . Архивировано из оригинала (PDF) 16 июля 2011 г.
- ^ Нордлунд, К.; Гао, Ф. (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 .
- ^ Хайниш, Х.Л. (1990). «Компьютерное моделирование каскадов смещения высоких энергий» . Радиационные эффекты и дефекты в твердых телах . 113 (1–3): 53–73. дои : 10.1080/10420159008213055 .
- ^ Пугачева Т; Джурабекова, 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 .
- ^ Веб-сайт SRIM
- ^ Хофсэсс, Х.; Чжан, К.; Муцке, А. (2014). «Моделирование ионно-лучевого распыления с помощью SDTrimSP, TRIDYN и SRIM». Прикладная наука о поверхности . 314 : 134–141. Бибкод : 2014ApSS..310..134H . дои : 10.1016/j.apsusc.2014.03.152 . hdl : 11858/00-001M-0000-0023-C776-9 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
СМИ, связанные с аппроксимацией двоичных столкновений, на Викискладе?
