Молекулярно-динамічне моделювання масоперенесення у твердому тілі під дією іонів низьких енергій

Моделювання інтенсивності атомних переміщень у каскадах, утворення ад-атомів, міжвузлових атомів і вакансій, а також встановлення значущості відповідних каскадних механізмів утворення дефектів у стабільних кристалах Cu, Ni, Al, Al/Ni та Ni/Al при різних температурах для іонів Ar і Xe з енергіями не більше 100 еВ.

Розробка двоетапного методу в тривимірному випадку. Розв’язання рівняння ІП з МД модельною функцією переміщень атомів у стабільних тривимірних кристалах (Cu, Ni). Моделювання впливу температури та типу атомного потенціалу на пошарові профілі концентрації псевдомаркера. Встановлення значущості окремих типів атомних переміщень у поширенні профілів концентрації. Оцінка внеску термічної стадії каскадів в ІП.

Поширення двоетапного методу на випадок двокомпонентних систем. Розрахунок ІП домішкового профілю низької концентрації шляхом розв’язання рівняння ІП з тривимірним моделюванням каскадних переміщень атомів домішки заміщення Al та стабільної матриці Ni. Оцінка впливу різниці балістичних якостей атомів домішки і матриці на поширення профілю концентрації домішки.

Використання МД модельних розподілів генерації вакансій і міжвузлових атомів по глибині кристалів Cu і Ni при підвищених температурах і низьких енергіях іонів для розв’язання системи рівнянь РПД. Порівняння внесків РПД і ІП у поширення концентраційного профілю псевдомаркера при підвищених температурах на основі єдиних модельних уявлень про розвиток каскадів зіткнень.

Наукова новизна роботи. У дисертаційній роботі були отримані наступні нові результати.

Показана придатність МД методу для розрахунку функції атомних переміщень у рівнянні ІП. Здобуто, що коефіцієнт ІП і середня швидкість дрейфу атомів віддачі, що обчислені згідно перенормованої функції атомних переміщень на стадії зіткнень у двовимірному квазістабільному кристалі Cu, якісно узгоджуються з результатами тривимірного квазістабільного і стабільного моделювань. Запропоновано спосіб перенормування двовимірних результатів.

Аналітично в дифузійному наближенні встановлено вплив лінійної неоднорідності коефіцієнта ІП на розрахункове поширення пошарового профилю псевдомаркера.

У межах стабільної моделі встановлено вплив температури кристала на значення поширення пошарового профілю псевдомаркера, що виникає під дією ІП і розпилення. У Cu і Ni із зростанням температури до ~0. 4•Тm при низьких енергіях іонів здобуто зменшення поширення пошарових профілів. Транспортне рівняння ІП дає більше поширення псевдомаркера, ніж дифузійне рівняння ІП.

Показано вплив кристалічної гратки на параметри моделей масоперенесення. У кристалі Ni здобуто загасаючі осциляції коефіцієнта ІП і середньої швидкості дрейфу атомів Ni, а також домішкових атомів Al з глибиною при невисоких температурах. Періодичність коефіцієнта ІП однокомпонентного Ni не спостерігалася при підвищених температурах.

Показана залежність пошарового профілю концентрації маркера від співвідношення ізотропних та анізотропних властивостей домішкової і матричної складових каскаду зіткнень на поверхні двокомпонентного кристала.

З молекулярно-динамічних позицій розглянуто внески ІП і РПД у поширення профілю псевдомаркера. Показана роль поверхневих стоків дефектів у перекрученні псевдомаркера при підвищених температурах. Розглянуто внески в РПД механізмів перенесення маси по вакансіям і міжвузловинам у кристалах Cu і Ni при температурах ~0. 4•Тm і низьких енергіях іонів.

Встановлено вплив температури на генерацію дефектів на поверхні і в об’ємі металевих кристалів у низькоенергетичних каскадах на основі багаточастинкових потенціалів. Показано підвищення активності переміщень каскадних атомів, зростання кількості зворотнорозсіяних до поверхні атомів і зменшення кількості прямих переміщень атомів з атомного прошарку n у прошарок n+2 в однокомпонентних кристалах зі збільшенням температури. При цьому, інтенсивність каскаду зростає, переважно, в напрямках, паралельних поверхні, що бомбардується.

У двошарових кристалах Al/Ni і Ni/Al кількість каскадних переміщень атомів через межу розподілу компонентів є більшою у порівнянні з кількістю відповідних переміщень у кристалах Ni і Al завдяки зменшенню потенціальної енергії двошарових кристалів у випадку обміну атомами різних компонентів. Здобуто кількісні результати генерації дефектів у двошарових кристалах для енергій іонів Ar і Xe не більше 100 еВ. В Ni/Al утворюється більша кількість ад-атомів Al з підкладинки у порівнянні з кількістю ад-атомів Ni. Кількість стабільних міжвузлових атомів в Al/Ni є значно меншою у порівнянні з випадком кристала Ni.

Розглянуто кинетики компонентів середньоквадратичних зміщень атомів в залежності від типу і енергії іона. Показана необхідність врахування термічної стадії каскаду в ІП при низьких енергіях іонів в однокомпонентних матеріалах, а також значне зростання середньоквадратичного зміщення в двошарових кристалах на термічній стадії за рахунок переміщень атомів уздовж межі поділу компонентів.

10. Здобуто часовий поділ механізмів утворення ад-атомів при взаємодії кристалів Al, Ni, Сu з іонами Xe з енергіями ~50 еВ, тоді як для Ar поділ механізмів не спостерігається завдяки малому часу перебування іонів Ar у кристалі. Кінетики атомних переміщень також відповідають поділу механізмів. Мають місце розходження кінетик інших типів дефектів для Ar і Xe.

Достовірність результатів досягається використанням добре тестованих атомних потенціалів і МД алгоритму, а також відомих рівнянь ІП та РПД.

Практичне значення одержаних результатів полягає в можливості подальшого використання двоетапного методу розрахунків ІП та РПД в