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

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. О. О. Галкіна

 

Корніч Григорій Володимирович

 

УДК 620. 193: 6. 533. 924

 

 

Спеціальність: 01. 04. 07. – Фізика твердого тіла

 

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

 

Донецьк-2002

 

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному університеті Міністерство освіти і науки України

Запорізькому національному технічному університеті Міністерство освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор Бажин Анатолій Іванович, Донецький національний університет, завідуючий кафедрою фізики твердого тіла та фізичного матеріалознавства.

Офіційні опоненти: Д. ф. -м. н., проф. Фельдман Едуард Петрович, Донецький фізико-технічний інститут імені Галкіна О. О. НАН України, зав. Відділом Д. ф. -м. н., проф. Горбань Олександр Миколайович, Гуманітарний університет “Запорізький інститут державного та муніципального управління”, перший проректор.

Д. ф. -м. н., ст. н. с., Ченакін Сергій Петрович, Інститут металофізики імені Курдюмова Г. В. НАН України, провідний науковий співробітник.

Провідна установа:

Харківський національний університет імені Каразіна В. Н., науково-дослідна проблемна лабораторія іонних процесів, Міністерство освіти і науки України (м. Харків)

 

 

Низькоенергетичні пучки іонів є одним з інструментів сучасних мікро- і нанотехнологій виробництва та контролю елементної бази електронних пристроїв. У зв’язку з цим, комп’ютерне моделювання взаємодії іонів з твердотільними поверхнями при низьких енергіях з урахуванням багаточастинкових взаємодій є важливою частиною аналітичної бази іонних технологій.

Робота присвячена молекулярно-динамічному (МД) моделюванню переміщень атомів, утворення вакансій, радіаційно-адсорбованих (ад-атомів) та міжвузлових атомів у каскадах зіткнень, що виникають в одно- і двокомпонентних кристалічних тілах при взаємодії з низькоенергетичними іонами інертних газів. Статистика переміщень каскадних атомів і розподіли точкових дефектів по глибині кристалів після загасання каскадів частково використовувалися, відповідно, для розв’язання рівнянь іонного перемішування (ІП) і радіаційно-прискореної дифузії (РПД). Моделювання виконувалося при температурах до 0. 5•Тm, де Тm – температура плавлення кристала.

Актуальність теми. Існуюча теорія ІП, в якій функції атомних переміщень в каскадах обчислюються в наближенні парних зіткнень без урахування в атомному потенціалі складової притягання, не дозволяє коректно описувати зміни концентрації атомів при енергіях ~100 еВ. Дифузійні моделі ІП тільки оціночно враховують вплив температури каскаду та теплоти пере-мішування на поширення межі розподілу компонентів двошарових систем при таких енергіях іонів. При цьому, недоліки наближення парних взаємодій проявляються також у занижених значеннях коефіцієнта відбиття іонів.

Наведені проблеми можуть бути вирішені в межах МД моделювання каскадних процесів з багаточастинковими атомними потенціалами і шляхом розрахунку параметрів континуальних моделей масоперенесення на цій основі. Отримана модель масоперенесення має більш елементарний рівень параметризації, що підвищує достовірність результатів. Поєднання можли-востей МД методу в розрахунках каскадів у межах часу ~10-11- 10-9 с з перевагами рівнянь ІП на інтервалах часу більше 1. 0 с, призводить до якісно нового двоетапного методу обчислення ІП, який враховує термічну стадію каскаду. Модельні розподіли генерації стабільних вакансій та міжвузлових атомів по глибині кристала при високих температурах дають можливість отримувати достовірні розв’язання рівнянь РПД при низьких енергіях іонів.

Отже, МД метод у поєднанні з елементами аналітичних підходів є основою кількісного опису перенесення маси і мікроскопічних процесів модифікації приповерхневої області кристалів низькоенергетичними іонами.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи виконувалася у відповідності до координаційного плану науково-дослідних робіт кафедри фізики твердого тіла та фізичного матеріалознавства Донецького національного університету “Фізичні процеси на поверхні твердих тіл і тонких плівок, розробка основ та створення аналітичної бази нанотехнологій” (наказ Міністерства освіти України від 31. 03. 1992 N68) і теми “Фундаментальні дослідження в галузі фізики та діагностики поверхні” по програмі N6. 4 Міністерства освіти України, 1996-2000, “Дослідження адсорбційних, каталітичних та корозійних явищ на поверхні твердих тіл з метою розвитку наукових основ ресурсозберігаючих технологій”, де здобувач навчався в докторантурі в 1995-1998 роках під керівництвом д. ф. -м. н., проф. Бажина А. І. і співробітничав по дисертаційній тематиці з 1991 року.

Робота виконувалася також у відповідності до теми N06915 науково-дослідної роботи кафедри обчислювальної математики Запорізького національного технічного університету “Розробка теорії, методів і алгоритмів математичного моделювання об’єктів і процесів з локалізованими і розподіленими параметрами”, в якій здобувач з 1995 року розробляв власний напрямок моделювання взаємодії іонів з твердими поверхнями.

З 1994 року дисертаційна робота виконувалася здобувачем також у лабораторії проф. Г. Бетца (G. Betz) у Віденському технічному університеті, Institut fur Allgemeine Physik (Австрія) згідно тематики “Molecular Dynamics simulation of energetic ion interactions with solid surfaces”.

Метою дослідження є:

застосування методу молекулярної динаміки для моделювання каскадів зіткнень, а саме, переміщень атомів, утворення дефектів та відповідного перенесення маси в однокомпонентних і двокомпонентних кристалах металів при різних температурах під дією іонів низьких енергій;

елементаризація зовнішніх параметрів моделей масоперенесення у твердому тілі при низькоенергетичному іонному бомбардуванні на основі молекулярно-динамічних уявлень про кристалічну мішень і еволюцію каскадів зіткнень.

Для досягнення поставленої мети розв’язувалися наступні задачі дослідження:

Розробка оціночної