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

Здобуто (пп. 3. 4. 3, 3. 8. 2, 3. 8. 3), що в кристалі Al/Ni при температурах 0 К і 300 К утворюється в 1. 5-3 рази менше міжвузлових атомів у порівнянні з кристалом Ni при енергіях іонів Ar 50 і 100 еВ. Для Xe з енергією 50 еВ кількість міжвузлових атомів у ~10 разів менша, ніж у випадку Ni. Монопрошарок атомів Al на Ni підкладинці, утруднюючи перенесення енергії від іона в об’єм мішені внаслідок різниці атомних мас компонентів, а також завдяки великій енергії переміщення атома Al в гратку Ni шляхом заміщення відповідного атома Ni, знижує, особливо в напрямку [1 0 0], ймовірність виникнення ПЗЗ.

У розділі 3 обговорюється різниця в утворенні дефектів іонами Ar і Xe при енергіях 15 еВ – 50 еВ. Іони Ar генерують більше ад-атомів і поверхневих вакансій в Cu (1 0 0) при енергії 40 еВ і 50 еВ і температурах 0 К і 300 К, тоді як Xe – більше вакансій глибше першого атомного прошарку, хоч при енергії 50 еВ різниця кількості об’ємних вакансій є незначною (п. 3. 5. 4). Ці результати пояснюються тим, що максимум втрат енергії іонів Xe припадає на другий атомний прошарок, тоді як Ar – на перший.

При бомбардуванні кристала Al іонами Xe з енергіями 25, 40 і 50 eВ (п. 3. 7. 2), часові залежності кількості поверхневих і об’ємних вакансій мають два максимуми в інтервалах 0. 2-0. 3 пс і 0. 8-1. 0 пс. Перший максимум, що виникає при проникненні Xe в кристал, супроводжується утворенням ад-атомів і міжвузлових атомів на стадії зіткнень, тоді як другий максимум визначається рухом відбитого іона і супутніх атомів з об’єму до поверхні, що також супроводжується утворенням ад-атомів. Максимум кількості ад-атомів не розділяється на два окремих піки у випадку Xe. У випадку Ar виникає по одному максимуму кількості поверхневих і об’ємних вакансій в інтервалі 0. 2-0. 3 пс при енергіях 25-50 еВ. В Ni у випадку Xe при енергії 50 еВ було зафіксовано розділення кінетики кількості ад-атомів на два максимуми в інтервалах 0. 1-0. 2 пс і 0. 5-0. 6 пс, що пояснюється більш швидкою каскадною релаксацією в Ni порівняно з Al. В Cu максимуми кількості ад-атомів знаходяться в інтервалах 0. 1-0. 3 пс і 0. 6-1. 5 пс для іонів Xe з енергією 50 еВ.

Розділ 4. У підрозділі 4. 1 формулюється постановка проблеми моделювання атомних переміщень та ІП в межах стабільної моделі. Розглянуто двоетапне моделювання ІП, яке включає стабільну МД модель з багаточастинковим потенціалом (або потенціалом Морзе в одному випадку) і транспортне рівняння ІП або його дифузійне наближення при енергії іонів 100 еВ. Моделюються переміщення атомів у каскадах і їх внесок у коефіцієнт ІП, середню швидкість дрейфу атомів віддачі та релокаційну функцію. Розглядаються також переміщення атомів у каскадах при енергіях Ar і Xe 15 – 50 еВ.

У п. п. 4. 2. 2-4. 2. 5 і 4. 5. 6 обчислювалися поширення псевдомаркера в дифузійному наближенні σdif2 і у випадку транспортного рівняння ІП σint2, які співвідносяться як σint2 = (1. 4-1. 7) σdif2 для Сu (1 0 0) і σint2 = (1. 2-1. 4) σdif2 для Ni (1 0 0) при бомбардуванні іонами Ar з енергією 100 еВ. При цьому, поширення пошарового профілю псевдомаркера в Cu зменшується із зростанням температури. Зменшення поширення в інтервалі 0 К – 300 К відбувається за рахунок зростання швидкості розпилення поверхні, тоді як зменшення в інтервалі 300 К – 500 К – за рахунок скорочення ефективної області ІП. Для Ni поширення профілю в дифузійному наближенні є температурно-незалежним, тоді як розв’язання транспортного рівняння ІП демонструє незначне зменшення поширення профілю.

Встановлено внесок термічної стадії атомних каскадів в кристалах Cu, Ni, Al у загальний ефект ІП, який оцінювався в термінах СКЗ атомів віддачі (п. п. 4. 2. 1, підрозділ 4. 3). На протязі термічної стадії, після 0. 2-0. 4 пс еволюції каскаду, коли енергія атомів у каскаді ~1-5 еВ, СКЗ атомів при початковій енергії іонів 100 еВ, збільшується в 1. 1-1. 4 рази порівняно з СКЗ атомів віддачі на протязі перших 0. 2-0. 4 пс.

Регістрація атомних переміщень у напрямку [1 0 0] показала, що в кристалі Al активність каскадних переміщень атомів значно вища, ніж в Ni і Cu. Аналогічно, кількість зворотних атомних переміщень до поверхні є також вищою в Al і Ni/Al, ніж в Ni і Al/Ni (підрозділи 4. 2-4. 5). Двошарові системи Al/Ni і Ni/Al показують значно більшу активність обмінних переміщень атомів між першим атомним прошарком і підкладинкою, а саме, другим прошарком, ніж кристали Al і Ni. Розрахунки потенціальної енергії кристалів при 0 K показують, що такі обмінні переміщення є енергетично вигідними в обох двошарових кристалах (п. п. 4. 4. 1, 4. 4. 2). СКЗ атомів в Al/Ni зростає в часовому інтервалі 0. 2-4. 0 пс і в Ni/Al в інтервалі 0. 2-7. 0 пс, відповідно, в