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

У п. п. 3. 2. 2 і 3. 2. 3 порівнюються утворення вакансій, пружні втрати енергії іонів, коефіцієнти розпилення в Cu (1 0 0) при бомбардуванні іонами Ar з енергією 100 еВ і температурі кристала 0 К з використанням багаточастинкового потенціалу [6] та парного потенціалу Морзе. Здобуто, що парний потенціал призводить до значних похибок у законах збереження маси і енергії (до 25%) на початковій стадії каскаду і на стадії релаксації.

Обчислений коефіцієнт розпилення Cu (1 0 0) при температурах 300 К і 500 К і енергії іонів Ar 100 еВ (п. 3. 5. 2), практично, не змінюється і збігається з відомими експериментальними даними [9]. Модельний коефіцієнт розпилення при температурі 0 К був у два рази менший (п. п. 3. 2. 2, 3. 5. 2), що частково пояснюється більш глибоким розповсюдженням пружних втрат енергії іонів в Cu при 0 К порівняно з випадками кімнатної і більш високих температур. Коефіцієнт розпилення Al/Ni в аналогічних умовах бомбардування не відрізняється при 0 К і 300 К (п. п. 3. 4. 2, 3. 8. 1). Коефіцієнт розпилення Ni (1 0 0) змінюється в межах статистичних відхилень при 0 К, 300 К і 750 К (п. п. 3. 3. 2, 3. 6. 1, 3. 6. 2), як і коефіцієнт розпилення Al (1 0 0) при температурах від 0 К до 500 К з кроком 100 К (п. п. 3. 3. 2, 3. 7. 1). Можливі зміни модельного розпилення при температурах 0 К – 300 К, як це мало місце в Cu (1 0 0), пов’язані з особливостями потенціалів в області мінімуму і з відсутністю нульових коливань атомів гратки при температурі 0 К.

Досліджено вплив рівноважної температури кристалів на утворення стабільних точкових дефектів (п. п. 3. 2. 4, 3. 3. 4, 3. 4. 3, 3. 5. 3, 3. 6. 1, 3. 6. 2, 3. 7. 1, 3. 8. 2). Генерація стабільних міжвузлових атомів в Cu, Ni і Al зменшується з температурою за рахунок рекомбінації з вакансіями, що розташовані поблизу поверхні. Рекомбінація зростає з температурою завдяки двом факторам: підвищенню рухомості дефектів у каскадах, а також скороченню довжини і зменшенню кількості послідовностей атомних зіткнень заміщення (ПЗЗ). Генерація вакансій на поверхні кристалів Cu, Ni збільшується з температурою від 0 К до 300 К. Для Cu і Ni це має місце, головним чином, завдяки збільшенню генерації ад-атомів. В Al кількість ад-атомів і поверхневих вакансій змінюється неістотно з температурою від 0 К до 300 К. Об’ємні вакансії не демонструють залежності від температури в Cu, а в Al і Ni їх кількість має тенденцію до зменшення із зростанням температури. В Al/Ni не спостерігаються значні зміни кількості стабільних дефектів при температурах 0 К і 300 К.

Показано, що просторове розділення стабільних вакансій біля поверхні і міжвузлових атомів в глибині кристала, має місце в усіх модельних системах. При цьому, утворення поверхневих вакансій домінує над утворенням об’ємних вакансій, за винятком кристала Al (1 0 0), в якому їх кількості, приблизно, однакові, що пов’язано з глибоким (до п’яти прошарків) розподілом пружних втрат енергії іонів в Al (пп. 3. 3. 3, 3. 7. 1). Це може бути наслідком каналювання Ar в Al (1 0 0) в напрямку <1 1 0>, а також неможливості однократного відбиття іона Ar на значні кути в Al. Значна кількість поверхневих вакансій в Al пов’язана з утворенням ад-атомів, хоч потік атомів віддачі з об’єму до поверхні зменшує їх кількість, і збільшує кількість об’ємних вакансій. В Ni кількості утворених вакансій, міжвузлових атомів та ад-атомів є значно меншими ніж в Al, але порівнянними з кількістю дефектів в Cu (підрозділи 3. 2, 3. 3, 3. 5).

В підрозділах 3. 4 і 3. 8 показано, що в обох кристалах Al/Ni і Ni/Al спостерігається генерація значно більшої кількості ад-атомів, ніж в кристалах Al і Ni. При цьому, в Ni/Al більший відсоток ад-атомів генерується завдяки переміщенням атомів з другого і третього атомних прошарків, що не спостерігалося в однокомпонентних кристалах. В обох двошарових кристалах значна кількість поверхневих вакансій реєструється завдяки локальній перебудові поверхневого атомного прошарку навколо точки падіння іона. Навіть після 4 пс еволюції каскаду в першому прошарку двошарових кристалів продовжуються низькоенергетичні (~0. 5 еВ) процеси перебудови гратки. При всіх енергіях, релаксація каскаду тільки незначним чином впливає на кількість поверхневих вакансій і Al ад-атомів у двошарових системах, тоді як кількості Ni ад-атомів і об’ємних дефектів істотно зменшуються. На рис. 2 показана кінетика Al ад-атомів, поверхневих і об'ємних вакансій, а також Ni міжвузлових атомів