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

Показано, що область перемішування є більшою ніж область розподілу пружних втрат енергії іонів в усіх розглянутих кристалах. Наприклад, в кристалі Ni глибина проникнення іонів Ar при енергіях іонів ~ 100 еВ становить один атомний прошарок, а область перемішування 8-12 прошарків (п. п. 3. 2. 2, 3. 3. 3, 3. 5. 2, 3. 6. 1, 3. 7. 1, 4. 2. 2, 4. 2. 4, підрозділи 4. 3, 4. 5). Це робить неможливим використання аналітичних виразів для коефіцієнта ІП з лінійною залежністю від розподілу пружних втрат енергії іона (п. п. 1. 5. 4) при таких низьких енергіях і виправдовує використання МД моделювання для обчислення коефіцієнта ІП.

У підрозділах 4. 3-4. 5 обчислюються також внески окремих компонентів СКЗ в загальне переміщення атомів у каскадах в різних кристалах для різних іонів. Нормальний до поверхні компонент СКЗ внутрішніх атомів і бічний компонент СКЗ ад-атомів дають головний внесок у загальне СКЗ атомів віддачі в Ni. В Al бічний і нормальний компоненти СКЗ внутрішніх атомів віддачі складають головний внесок у загальне СКЗ. Ці результати співпадають з фактом існування в Ni обох типів ПЗЗ – в напрямках [1 0 0] і <1 1 0>, тоді як у Al були зафіксовані ПЗЗ тільки одного типу – в напрямках <1 1 0>. В підкладинках кристалів Al/Ni і Ni/Al були отримані тільки ПЗЗ <1 1 0>.

МД алгоритми, що використовуються в роботі (п. 4. 4. 4), відслідковували середню температуру кристалів в процесі розвитку каскадів. При початковій температурі 0 К, в кристалах Ni і Al/Ni каскади охолоджуються бистріше, порівняно з каскадами в Al і Ni/Al. Використання псевдоізотопних двошарових і однокомпонентних кристалів показало, що швидкість охолодження каскадів істотно залежить від енергії когезії і неістотно – від маси атомів.

У підрозділі 4. 5 і п. п. 4. 2. 4 моделювалися температурні залежності кількості атомних переміщень з одної комірки Вігнера-Зейтца в іншу (Nws) і СКЗ атомів в Cu, Al і Ni. Одержано зростання цих величин із збільшенням температури. В Al і Ni найбільш істотно зростають бічний внутрішній компонент СКЗ атомів віддачі і СКЗ ад-атомів. В усіх трьох кристалах з підвищенням температури зростає також кількість атомних переміщень з прошарку n в прошарок n-1. Як видно з рис. 3, коефіцієнт ІП і середня швидкість дрейфу в Ni в інтервалі температур 0 К – 300 К мають періодично-загасаючий характер з глибиною від прошарку до прошарку, тоді як при 750 К спостерігається монотонне зменшення коефіцєнта ІП, а коливання швидкості дрейфу з глибиною є незначними (п. 4. 5. 6). Зникнення періодичності коефіцієнта ІП відбувається завдяки зменшенню кількості атомних переміщень з прошарку n в прошарок n+2 із зростанням температури. Коли-вання швидкості дрейфу з глибиною кристала при температурах 0 К і 750 К, у значній мірі, пов’язані з температурним зростанням кількості переміщень атомів до поверхні кристала.

У п. п. 4. 2. 6, 4. 5. 2, 4. 5. 3 моделювався випадок бомбардування Cu з енергіями іонів 25, 40 і 50 еВ. При енергії іонів 25 еВ і температурах 0 К і 300 К, іони Xe викликають значно більше переміщень атомів, включаючи і переміщення атомів у кристалі, тоді як іони Ar викликають переміщення атомів тільки з першого прошарку в ад-прошарок. При енергіях 40-50 еВ Nws не відрізняється істотно для Ar і Xe. При енергіях 25-50 еВ іони Xe ініціюють неістотно більший ефект перемішування порівняно з іонами Ar уздовж напрямку [1 0 0], але загальне СКЗ є значно більшим для Ar за рахунок бічних зміщень ад-атомів. Аналогічні результати були отримані для енергії іонів 100 еВ при 0 К (п. п. 4. 2. 2).

В Al, Ni і Al/Ni при енергіях 25-50 еВ і 300 K іони Xe генерують більше атомних переміщень Nws, ніж іони Ar. Ця різниця є незначною в Ni і Al/Ni, але в Al інтенсивність переміщень атомів у два рази більша. Бічні СКЗ ад-атомів уздовж поверхні кристала Ni є більшими для іонів Ar порівняно з іонами Xе в 2 рази при енергії 50 еВ і не відрізняються при менших енергіях, тоді як в Al і Al/Ni бічні зміщення ад-атомів є більшими у випадку Xe. При цьому, бічне СКЗ ад-атомів у розрахунку на один ад-атом більше у випадку Ar для Cu, Ni, Al і Al/Ni.

При температурі кристала Al 300 К і енергіях іонів 25-50 еВ, в каскадах, ініційованих іонами Xe, спостерігаються два максимуми Nws, тоді як у каскадах, ініційованих іонами Ar – один максимум (п. п. 4. 5. 3). Моменти досягнення максимальних значень Nws збігаються з моментами досягнення максимумів кількості поверхневих і об’ємних вакансій, що обговорювалося