Приближение двоичного столкновения - Binary collision approximation

В приближение бинарных столкновений (BCA) означает метод, используемый в ионное облучение физика для обеспечения эффективного компьютерное моделирование глубины проникновения и дефект производство энергетическим (с кинетической энергией в килоэлектронвольтах (кэВ ) и выше) в твердых телах. В этом методе предполагается, что ион проходит через материал, испытывая последовательность независимых бинарных столкновений с образцом. атомы (ядра ). Предполагается, что между столкновениями ион движется по прямому пути, испытывая электронное останавливающая сила, но не теряет энергии при столкновении с ядрами.[1][2][3]

Схематическое изображение независимых бинарных столкновений между атомами

Подходы к моделированию

В подходе BCA одиночное столкновение между падающим ионом и целевым атомом (ядром) рассматривается путем решения классического интеграла рассеяния между двумя сталкивающимися частицами для прицельный параметр приходящего иона. Решение интеграла дает угол рассеяния теона, а также его потерю энергии атомами образца, и, следовательно, какова энергия после столкновения по сравнению с до него.[1]Интеграл рассеяния определяется в системе координат центра масс (две частицы сведены к одной частице с одним межатомным потенциалом) и связывает угол рассеяния с межатомный потенциал.

Также возможно решить интеграл времени столкновения, чтобы узнать, сколько времени прошло во время столкновения. Это необходимо, по крайней мере, когда BCA используется в режиме «полного каскада», см. Ниже.

Потери энергии электронам, т.е. электронным останавливающая сила, может рассматриваться либо с помощью моделей электронной остановки, зависящих от прицельного параметра,[4] путем вычитания тормозной способности, зависящей от скорости иона только между столкновениями,[5] или комбинация двух подходов.

Метод выбора прицельного параметра разделил коды BCA на две основные разновидности: коды BCA «Монте-Карло» и коды Crystal-BCA.

В так называемой BCA Монте-Карло приблизьтесь к расстоянию до прицельный параметр следующего сталкивающегося атома выбирается случайным образом из распределения вероятностей, которое зависит только от атомной плотности материала. Этот подход по существу имитирует прохождение иона в полностью аморфном материале (обратите внимание, что некоторые источники называют эту разновидность BCA просто Монте-Карло, что является вводит в заблуждение, так как это имя можно спутать с другим, совершенно другимМоделирование Монте-Карло разновидности). SRIM и SDTrimSP - это коды BCA Монте-Карло.

Также возможно (хотя и более сложно) реализовать методы BCA для кристаллических материалов, так что движущийся ион имеет определенное положение в кристалле, а расстояние и прицельный параметр до следующего сталкивающегося атома определяются как соответствующие атому в кристалле. В этом подходе BCA можно использовать для моделирования движения атома во время ченнелинг. Такие коды, как MARLOWE, работают с этим подходом.

Приближение бинарных столкновений также может быть расширено для моделирования динамических изменений состава материала из-за длительного ионного облучения, т.е. ионная имплантация и распыление.[6]

При низких энергиях ионов приближение независимых столкновений между атомами начинает нарушаться. Эту проблему можно до некоторой степени усилить, решив интеграл столкновений для нескольких одновременных столкновений.[3][7]Однако при очень низких энергиях (ниже ~ 1 кэВ, для более точной оценки см. [8]) приближение BCA всегда не работает, и следует использовать молекулярная динамика Подходы к моделированию ионного облучения, потому что они могут, в соответствии с конструкцией, обрабатывать многочастичные столкновения произвольного количества атомов. Моделирование МД может отслеживать только входящий ион (приближение взаимодействия отдачи или RIA [9]) или смоделировать все атомы, участвующие в каскад столкновений.[10]

Каскадное моделирование столкновений BCA

Моделирование BCA может быть далее подразделено по типу в зависимости от того, следуют ли они только за падающим ионом или также за отдачей, создаваемой ионом (полный каскадный режим, например, в популярном коде BCA SRIM Если код не учитывает вторичные столкновения (отдачи), то количество дефектов рассчитывается с использованием расширения Робинсона модели Кинчина-Пиза.

Если начальная масса отдачи / иона мала, и материал, в котором возникает каскад, имеет низкую плотность (т. Е. Комбинация материала отдачи имеет низкую останавливающая сила ), столкновения между исходными атомами отдачи и образцами происходят редко, и их можно хорошо понять как последовательность независимых бинарных столкновений между атомами. Этот вид каскада теоретически можно хорошо лечить с помощью BCA.

Схематическое изображение линейного каскад столкновений. Толстая линия показывает положение поверхности, а более тонкие линии - пути баллистического движения атомов от начала до остановки в материале. Фиолетовый кружок - входящий ион. Красные, синие, зеленые и желтые кружки показывают соответственно первичную, вторичную, третичную и четвертичную отдачу. Между баллистическими столкновениями ионы движутся по прямой траектории. BCA может в «полном каскадном режиме» хорошо описывать каскады линейных столкновений.

Оценка производственного ущерба

Моделирование BCA естественным образом дает глубину проникновения ионов, поперечный разброс и распределение энергии ядерных и электронных отложений в космосе. Их также можно использовать для оценки ущерба, нанесенного материалам, исходя из предположения, что любая отдача, получающая энергию выше, чем пороговая энергия смещения материала даст стойкий дефект.

Однако этот подход следует использовать с большой осторожностью по нескольким причинам. Например, он не учитывает никакую термически активированную рекомбинацию повреждений или хорошо известный факт, что в металлах возникновение повреждений при высоких энергиях составляет всего около 20% от предсказания Кинчина-Пиза.[11] Более того, этот подход только прогнозирует возникновение повреждений, как если бы все дефекты были изолированы. Пары Френкеля, а на самом деле во многих случаях каскады столкновений создают кластеры дефектов или даже дислокации в качестве начального состояния повреждения.[12][13]Однако коды BCA могут быть расширены моделями кластеризации повреждений и рекомбинации, которые повышают их надежность в этом отношении.[14][15]Наконец, средний пороговая энергия смещения не очень точно известен в большинстве материалов.

Коды BCA

  • SRIM[16] предлагает графический пользовательский интерфейс и, вероятно, является наиболее часто используемым кодом BCA в настоящее время. Его можно использовать для моделирования линейных каскадов столкновений в аморфных материалах для всех ионов во всех материалах вплоть до энергии ионов 1 ГэВ. Обратите внимание, однако, что SRIM не обрабатывает такие эффекты, как ченнелинг, повреждение из-за воздействия электронной энергии (необходимо, например, для описания быстрый тяжелый ион повреждение материалов) или повреждение возбужденными электронами. Расчетный выход распыления может быть менее точным, чем расчет 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, это код BCA, способный обрабатывать динамические изменения композиции.
  • DART, французский код, разработанный CEA (Commisariat à l'Energie Atomique) в Сакле. Отличается от SRIM своей электронной тормозной способностью и аналитическим разрешением интеграла рассеяния (количество возникающих дефектов определяется по упругим сечениям и атомным концентрациям атомов). Ядерная тормозная способность исходит из универсального межатомного потенциала (потенциал ZBL), в то время как электронная тормозная способность получается из уравнения Бете для протонов и Линдхарда-Шарфа для ионов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Р. Смит (ред.), 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
  2. ^ а б Робинсон, М. (1992). «Компьютерное моделирование каскадов столкновений высоких энергий1». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция B. 67 (1–4): 396–400. Bibcode:1992НИМПБ..67..396Р. Дои:10.1016 / 0168-583X (92) 95839-J.
  3. ^ а б c Робинсон, Марк; Торренс, Ян (1974). «Компьютерное моделирование каскадов атомных смещений в твердых телах в приближении двойных столкновений». Физический обзор B. 9 (12): 5008. Bibcode:1974ПхРвБ ... 9.5008Р. Дои:10.1103 / PhysRevB.9.5008.
  4. ^ Кишиневский Л. М. Сечения неупругих атомных столкновений // Изв. Акад. Sci. СССР, Phys. Сер. 26, 1433 (1962)
  5. ^ Дж. Ф. Циглер, Дж. П. Бирсак, У. Литтмарк, Остановка и пробег ионов в веществе, 1985 ISBN  0-08-022053-3 и ссылки в нем.
  6. ^ а б Моллер, Вт; Экштейн, W (1984). «Tridyn - код моделирования TRIM, включающий динамические изменения композиции». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция B. 2 (1–3): 814–818. Bibcode:1984НИМПБ ... 2..814М. Дои:10.1016 / 0168-583X (84) 90321-5.
  7. ^ Гартнер, К. (1995). «Круговое компьютерное моделирование прохождения ионов через кристаллические слои». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция B. 102 (1–4): 183–197. Bibcode:1995НИМПБ.102..183Г. Дои:10.1016 / 0168-583X (95) 80139-D.
  8. ^ Хоблер, G (2001). «О полезной области применения моделирования молекулярной динамики в приближении взаимодействия отдачи». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция B. 180 (1–4): 203–208. Bibcode:2001НИМПБ.180..203Х. Дои:10.1016 / S0168-583X (01) 00418-9.
  9. ^ Нордлунд, К. (1995). «Молекулярно-динамическое моделирование пробегов ионов в диапазоне энергий 1–100 кэВ». Вычислительное материаловедение. 3 (4): 448–456. Дои:10.1016 / 0927-0256 (94) 00085-Q.
  10. ^ De La Rubia, T .; Averback, R .; Бенедек, Р .; Кинг, W. (1987). «Роль тепловых всплесков в энергетических каскадах вытеснения». Письма с физическими проверками. 59 (17): 1930–1933. Bibcode:1987ПхРвЛ..59.1930Д. Дои:10.1103 / PhysRevLett.59.1930. PMID  10035371.
  11. ^ Р. С. Авербак и Т. Диас де ла Рубиа, Повреждение смещением в облученных металлах и полупроводниках, в Физика твердого тела, изд. Х. Эренфест и Ф. Спапен, том 51, стр. 281–402, Academic Press, Нью-Йорк, 1998. ISBN  0-12-607751-7
  12. ^ Nordlund, K .; Ghaly, M .; Averback, R .; Caturla, M .; Diaz De La Rubia, T .; Тарус, Дж. (1998). «Создание дефектов в столкновительных каскадах в элементарных полупроводниках и ГЦК-металлах» (PDF). Физический обзор B. 57 (13): 7556. Bibcode:1998ПхРвБ..57.7556Н. Дои:10.1103 / PhysRevB.57.7556. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-16.
  13. ^ Nordlund, K .; Гао, Ф. (1999). «Формирование тетраэдров дефектов упаковки в каскадах столкновений». Письма по прикладной физике. 74 (18): 2720. Bibcode:1999АпФЛ..74.2720Н. Дои:10.1063/1.123948.
  14. ^ Хайниш, Х. Л. (1990). «Компьютерное моделирование высокоэнергетических каскадов вытеснения». Радиационные эффекты и дефекты в твердых телах. 113 (1–3): 53–73. Дои:10.1080/10420159008213055.
  15. ^ Пугачева, Т; Джурабекова, Ф; Хвалиев, С (1998). «Эффекты каскадного смешения, распыления и диффузии при облучении нитрида бора световыми ионами высокой дозой». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция B. 141 (1–4): 99–104. Bibcode:1998НИМПБ.141 ... 99П. Дои:10.1016 / S0168-583X (98) 00139-6.
  16. ^ Веб-сайт SRIM
  17. ^ Hofsäss, H .; Zhang, K .; Муцке, А. (2014). «Моделирование ионно-лучевого распыления с помощью SDTrimSP, TRIDYN и SRIM». Прикладная наука о поверхности. 314: 134–141. Bibcode:2014ApSS..310..134H. Дои:10.1016 / j.apsusc.2014.03.152. HDL:11858 / 00-001M-0000-0023-C776-9.

внешняя ссылка