Каскад столкновений - Collision cascade

Для сценария столкновения между объектами на низкой околоземной орбите, вызывающего цепную реакцию столкновения обломков с дополнительными объектами, производящими больше обломков, см. Синдром Кесслера.
Классический молекулярная динамика компьютерное моделирование каскада столкновений в Au вызвано 10 кэВ Au самоотдача. Это типичный случай каскада столкновений в режиме теплового выброса. Каждая небольшая сфера показывает положение атома в поперечном сечении трехмерной ячейки моделирования толщиной в 2 атома. Цвета показывают (в логарифмической шкале) кинетическая энергия атомов, причем белый и красный - высокая кинетическая энергия от 10 кэВ вниз, а синий - низкий.

А каскад столкновений (также известный как каскад смещения или всплеск смещения) представляет собой набор соседних соседних энергетических (намного превышающих обычные тепловые энергии) столкновений атомы индуцируется энергичной частицей в твердом или жидком состоянии.[1][2]

Если максимальные энергии атома или иона в каскаде столкновений выше, чем пороговая энергия смещения материала (десятки эВ или более), столкновения могут навсегда вытеснить атомы из их узлов решетки и произвести дефекты. Первоначальный энергетический атом может быть, например, ион из ускоритель частиц, атомная отдача, создаваемая проходящим мимо нейтрон, электрон или же фотон, или образоваться, когда радиоактивное ядро ​​распадается и дает атому энергию отдачи.

Природа каскадов столкновений может сильно различаться в зависимости от энергии и массы падающего иона отдачи и плотности материала (останавливающая сила ).

Линейные каскады

Схематическое изображение независимых бинарных столкновений между атомами

Когда начальная масса отдачи / иона мала, и материал, в котором возникает каскад, имеет низкую плотность (то есть комбинация материала отдачи имеет низкую останавливающая сила ), столкновения между исходными атомами отдачи и образцами происходят редко, и их можно хорошо понять как последовательность независимых бинарных столкновений между атомами. Такой каскад теоретически можно хорошо обработать с помощью приближение бинарных столкновений (BCA) подход к моделированию. Например, можно ожидать, что ионы H и He с энергиями ниже 10 кэВ приведут к чисто линейным каскадам во всех материалах.

Схематическое изображение линейного каскада столкновений. Толстая линия показывает положение поверхности, а более тонкие линии - пути баллистического движения атомов от начала до остановки в материале. Фиолетовый кружок - входящий ион. Красные, синие, зеленые и желтые кружки показывают соответственно первичную, вторичную, третичную и четвертичную отдачу. Между баллистическими столкновениями ионы движутся по прямой траектории.

Наиболее часто используемый код BCA SRIM[3] может использоваться для моделирования каскадов линейных столкновений в неупорядоченных материалах для всех ионов во всех материалах вплоть до энергии ионов 1 ГэВ. Обратите внимание, однако, что SRIM не обрабатывает такие эффекты, как повреждение из-за выделения электронной энергии или повреждение, вызванное возбужденными электронами. Ядерная и электронная останавливающие силы используются усреднение для экспериментов и, следовательно, тоже не совсем точны. Электронная тормозная способность может быть легко включена в приближение бинарных столкновений[4] или же молекулярная динамика (MD) моделирование. В моделировании МД они могут быть включены либо как сила трения. [5][6][7][8][9][10][11][12] или более продвинутым способом, также следя за нагревом электронных систем и соединяя электронные и атомные степени свободы.[13][14][15] Однако остается неясность относительно того, каков соответствующий низкоэнергетический предел тормозной способности электронов или электрон-фононной связи.[12][16]

В линейных каскадах набор произведенных в образце отдачи можно описать как последовательность генераций отдачи в зависимости от того, сколько шагов столкновения прошло с момента первоначального столкновения: первичные ударные атомы (PKA), вторичные ударные атомы (SKA), третичные ударные атомы (TKA) и т. Д. Поскольку крайне маловероятно, что вся энергия будет передана ударному атому, каждое поколение атомов отдачи в среднем имеет меньше энергии, чем предыдущий, и в конечном итоге энергии ударного атома опустятся ниже пороговая энергия смещения для производства повреждений, после чего повреждение больше не может быть произведено.

Пики тепла (тепловые пики)

Когда ион тяжелый и достаточно энергичный, а материал плотный, столкновения между ионами могут происходить настолько близко друг к другу, что их нельзя считать независимыми друг от друга. В этом случае процесс становится сложным процессом взаимодействия многих тел между сотнями и десятками тысяч атомов, который нельзя обработать с помощью BCA, но можно смоделировать с помощью молекулярная динамика методы.[1][17]

То же, что и выше, но посередине область столкновений стала настолько плотной, что одновременно происходит несколько столкновений, что называется тепловым всплеском. В этой области ионы движутся по сложным траекториям, и невозможно различить числовой порядок отдачи - поэтому атомы окрашены в смесь красного и синего цветов.

Как правило, пик тепла характеризуется образованием переходной зоны пониженной плотности в центре каскада и области повышенной плотности вокруг нее.[1][18] После каскада область сверхплотности принимает вид интерстициальные дефекты, а область разрежения обычно становится областью свободные места.

Если кинетическую энергию атомов в области плотных столкновений пересчитать в температуру (используя основное уравнение E = 3/2 · N · kBT), можно обнаружить, что кинетическая энергия в единицах температуры изначально составляет порядка 10000 К. Из-за этого область может считаться очень горячей и поэтому называется всплеск тепла или же тепловой всплеск (эти два термина обычно считаются эквивалентными). Тепловой выброс остывает до температуры окружающей среды за 1–100 пс, поэтому «температура» здесь не соответствует температуре термодинамического равновесия. Однако было показано, что примерно после трех колебаний решетки распределение кинетической энергии атомов в тепловом всплеске имеет Распределение Максвелла – Больцмана,[19] делая использование понятия температуры в некоторой степени оправданным. Более того, эксперименты показали, что всплеск тепла может вызвать фазовый переход, который, как известно, требует очень высокой температуры,[20] показывающий, что концепция (неравновесной) температуры действительно полезна для описания каскадов столкновений.

Во многих случаях одни и те же условия облучения представляют собой комбинацию линейных каскадов и тепловых всплесков. Например, 10 МэВ Cu бомбардирующие Cu ионы сначала будут двигаться в решетке в линейном каскадном режиме, поскольку ядерные останавливающая сила низкий. Но как только ион меди достаточно замедлится, ядерная тормозная способность возрастет и возникнет всплеск тепла. Более того, многие из первичной и вторичной отдачи падающих ионов, вероятно, будут иметь энергию в диапазоне кэВ и, таким образом, вызвать всплеск тепла.

Например, при облучении меди медью при энергии отдачи около 5–20 кэВ почти гарантированно возникают тепловые всплески.[21][22] При более низких энергиях энергия каскада слишком мала для образования жидкой зоны. При гораздо более высоких энергиях ионы Cu, скорее всего, сначала приведут к линейному каскаду, но отдача может привести к всплескам тепла, как и первоначальный ион, когда он достаточно замедлится. Концепция пороговая энергия пробоя субкаскада означает энергию, выше которой отдача в материале может вызвать несколько изолированных тепловых всплесков, а не один плотный.

Анимации каскадов столкновений в режиме теплового выброса на основе компьютерного моделирования доступны на YouTube.[23]

Быстрые тепловые пики тяжелых ионов

Быстрые тяжелые ионы, т.е. тяжелые ионы с МэВ и ГэВ, которые наносят ущерб очень сильным электронная остановка, также можно рассматривать как образование тепловых всплесков[24][25] в том смысле, что они приводят к сильному нагреву решетки и переходной неупорядоченной зоне атома. Однако, по крайней мере, начальную стадию ущерба можно было бы лучше понять с точки зрения Кулоновский взрыв механизм.[26] Независимо от механизма нагрева, хорошо известно, что быстрые тяжелые ионы в изоляторах обычно производят ионные треки формирование длинных цилиндрических зон повреждения[24][27] пониженной плотности.[28][29]

Шкала времени

Чтобы понять природу каскада столкновений, очень важно знать соответствующий временной масштаб. Баллистическая фаза каскада, когда начальный ион / отдача и его первичная отдача и отдача более низкого порядка имеют энергии значительно выше пороговая энергия смещения, обычно длится 0,1–0,5 пс. Если образуется всплеск тепла, он может прожить от 1 до 100 пс, пока температура всплеска не снизится практически до температуры окружающей среды.[30] Охлаждение каскада происходит за счет решеточной теплопроводности и за счет электронной теплопроводности после того, как горячая ионная подсистема нагревает электронную за счет электрон-фононная связь. К сожалению, скорость электрон-фононного взаимодействия горячей и неупорядоченной ионной системы не очень хорошо известна, поскольку ее нельзя рассматривать в равной степени с довольно хорошо известным процессом передачи тепла от горячих электронов к неповрежденной кристаллической структуре.[31] Наконец, фаза релаксации каскада, когда образовавшиеся дефекты, возможно, рекомбинируют и мигрируют, может длиться от нескольких пс до бесконечного времени, в зависимости от материала, его дефект свойства миграции и рекомбинации, а также температура окружающей среды.

Последствия

Последовательность изображений развития во времени каскада столкновений в режиме теплового пика, вызванного воздействием иона Xe с энергией 30 кэВ на Au под действием ченнелинг условия. Изображение создается классическим молекулярная динамика моделирование каскада столкновений. На изображении показано поперечное сечение двух атомных слоев в центре трехмерной ячейки моделирования. Каждая сфера показывает положение атома, а цвета показывают кинетическую энергию каждого атома, как показано на шкале справа. В конце концов, оба точечные дефекты и вывих петли остаются.

Производство повреждений

Поскольку кинетическая энергия в каскаде может быть очень высокой, он может локально вывести материал далеко за пределы термодинамического равновесия. Обычно это приводит к дефект производство. Дефекты могут быть, например, точечные дефекты Такие как Пары Френкеля, упорядоченный или неупорядоченный вывих петли, дефекты укладки,[32] или же аморфный зоны.[33] Продолжительное облучение многих материалов может привести к их полной аморфизации, что регулярно происходит во время ионная имплантация допинг кремниевые чипы.[34]

Производство дефектов может быть вредным, например, в реакторах ядерного деления и термоядерного синтеза, где нейтроны медленно ухудшают механические свойства материалов, или полезный и желаемый эффект модификации материалов, например, когда ионы вводятся в полупроводник квантовая яма конструкции для ускорения работы лазера.[35] или для усиления углеродных нанотрубок.[36]

Любопытная особенность каскадов столкновений заключается в том, что конечное количество нанесенного ущерба может быть намного меньше, чем количество атомов, на которые первоначально воздействуют тепловые всплески. Особенно в чистых металлах, окончательное повреждение после фазы теплового выброса может быть на порядки меньше, чем количество атомов, смещенных в выбросе.[1] С другой стороны, в полупроводниках и других ковалентно связанных материалах образование повреждений обычно аналогично количеству смещенных атомов.[1][22] Ионные материалы могут вести себя как металлы или полупроводники в отношении доли рекомбинированных повреждений.[37]

Прочие последствия

Каскады столкновений вблизи поверхности часто приводят к распыление, как в режиме линейного всплеска, так и в режиме теплового всплеска.[21] Скачки тепла вблизи поверхностей также часто приводят к образованию кратеров.[38][39] Этот кратер вызван жидким потоком атомов,[40] но если размер снаряда превышает примерно 100 000 атомов, механизм образования кратеров переключается на тот же механизм, что и макроскопических кратеров, образованных пулями или астероидами.[41]

Тот факт, что многие атомы перемещаются каскадом, означает, что ионы могут использоваться для преднамеренного смешивания материалов, даже для материалов, которые обычно термодинамически несмешиваемы. Этот эффект известен как ионно-пучковое смешение.[42]

Неравновесный характер облучения также может быть использован для вывода материалов из термодинамического равновесия и, таким образом, образования новых видов сплавов.[43]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Р. С. Авербек и Т. Диас де ла Рубиа (1998). «Повреждение смещения в облученных металлах и полупроводниках». В Х. Эренфесте; Ф. Спапен (ред.). Физика твердого тела. 51. Академическая пресса. С. 281–402.
  2. ^ Р. Смит, изд. (1997). Столкновения атомов и ионов в твердых телах и на поверхностях: теория, моделирование и приложения. Издательство Кембриджского университета. ISBN  0-521-44022-X.
  3. ^ Веб-сайт SRIM
  4. ^ Робинсон, М. Т. (1974). «Компьютерное моделирование каскадов атомных смещений в твердых телах в приближении двойных столкновений». Phys. Ред. B. 9 (12): 12. Bibcode:1974ПхРвБ ... 9.5008Р. Дои:10.1103 / Physrevb.9.5008.
  5. ^ Нордлунд, К. (1995). «Молекулярно-динамическое моделирование пробегов ионов в диапазоне энергий 1 - 100 кэВ». Comput. Mater. Наука. 3 (4): 448. Дои:10.1016 / 0927-0256 (94) 00085-кв.
  6. ^ Бирдмор, К. (1998). «Схема эффективной молекулярной динамики для расчета профилей легирующих примесей из-за ионной имплантации». Phys. Ред. E. 57 (6): 7278. arXiv:физика / 9901054. Bibcode:1998PhRvE..57.7278B. Дои:10.1103 / PhysRevE.57.7278.
  7. ^ Чатурла, М. (1996). «Ионно-лучевая обработка кремния при энергии кэВ: исследование молекулярной динамики». Phys. Ред. B. 54 (23): 16683–16695. Bibcode:1996PhRvB..5416683C. Дои:10.1103 / PhysRevB.54.16683. PMID  9985796. S2CID  38579564.
  8. ^ Хоблер, Г. (2001). «О полезной области применения моделирования молекулярной динамики в приближении взаимодействия отдачи». Nucl. Instrum. Методы Phys. Res. B. 180 (1–4): 203. Bibcode:2001НИМПБ.180..203Х. Дои:10.1016 / s0168-583x (01) 00418-9.
  9. ^ Смит, Р. (1997). «Молекулярно-динамическое моделирование ионной бомбардировки Ni {100} с энергией 0,1 - 2 кэВ». Рад. Эфф. Def. In Sol. 141 (1–4): 425. Дои:10.1080/10420159708211586.
  10. ^ Дювенбек, А. (2007). «Продвижение электронов и электронное трение в каскадах атомных столкновений». Новый J. Phys. 9 (2): 38. Bibcode:2007NJPh .... 9 ... 38D. Дои:10.1088/1367-2630/9/2/038.
  11. ^ Хоу, М. (2000). «Нанесение кластеров AuN на поверхности Au (111). I. Моделирование в атомном масштабе». Phys. Ред. B. 62 (4): 2825. Bibcode:2000ПхРвБ..62.2825Н. Дои:10.1103 / PhysRevB.62.2825. S2CID  123595658.
  12. ^ а б Бьоркас, К. (2009). «Оценка связи между смешиванием ионного пучка, электрон-фононным взаимодействием и образованием повреждений в Fe». Nucl. Instrum. Методы Phys. Res. B. 267 (10): 1830. Bibcode:2009НИМПБ.267.1830Б. Дои:10.1016 / j.nimb.2009.03.080.
  13. ^ Проннеке, С. (1991). «Влияние потерь электронной энергии на динамику тепловых всплесков в Cu» (PDF). Журнал материаловедения. 6 (3): 483. Bibcode:1991JMatR ... 6..483P. Дои:10.1557 / jmr.1991.0483.
  14. ^ Даффи, Д. М. (2007). «Включая эффекты электронного торможения и электрон-ионных взаимодействий в моделировании радиационных повреждений». J. Phys .: Condens. Иметь значение. 17 (1): 016207. Bibcode:2007JPCM ... 19a6207D. Дои:10.1088/0953-8984/19/1/016207. S2CID  122777435.
  15. ^ Тамм, А. (2016). «Электрон-фононное взаимодействие в рамках классической молекулярной динамики». Phys. Ред. B. 94 (1): 024305. Bibcode:2016PhRvB..94a4305L. Дои:10.1103 / PhysRevB.94.014305.
  16. ^ Санд, А. Э. (2014). «Производство радиационных повреждений в массивных каскадах, инициированных термоядерными нейтронами в вольфраме». J. Nucl. Матер. 455 (1–3): 207. Bibcode:2014JNuM..455..207S. Дои:10.1016 / j.jnucmat.2014.06.007.
  17. ^ Дж. Гибсон; А. Голанд; М. Милгрэм; Г. Виноградник (1960). «Динамика радиационного поражения». Физический обзор. 120 (4): 1229. Bibcode:1960ПхРв..120.1229Г. Дои:10.1103 / PhysRev.120.1229.
  18. ^ Ф. Зейтц; Дж. С. Келер (1956). «Смещение атомов при облучении». У Ф. Зейтца; Д. Тернбулл (ред.). Физика твердого тела. 2. Академическая пресса. п. 307.
  19. ^ Т. де ла Рудиа; Р. Авербак; Р. Бенедек; У. Кинг (1987). «Роль тепловых всплесков в энергетических каскадах вытеснения». Письма с физическими проверками. 59 (17): 1930–1933. Bibcode:1987ПхРвЛ..59.1930Д. Дои:10.1103 / PhysRevLett.59.1930. PMID  10035371.
  20. ^ А. Мелдрам; С.Дж. Цинкль; Л. А. Боатнер; Р. К. Юинг (1998). «Переходная жидкообразная фаза в каскадах вытеснения циркона, гафнона и торита» (PDF). Природа. 395 (6697): 56. Bibcode:1998Натура.395 ... 56М. Дои:10.1038/25698. HDL:2027.42/62853.
  21. ^ а б Р. Адерджан; Х. Урбассек (2000). «Молекулярно-динамическое исследование кратеров, образовавшихся при ударе энергетического кластера Cu на Cu». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция B. 164–165: 697–704. Bibcode:2000НИМПБ.164..697А. Дои:10.1016 / S0168-583X (99) 01111-8.
  22. ^ а б К. Нордлунд; и другие. (1998). «Производство дефектов в столкновительных каскадах в элементарных полупроводниках и ГЦК-металлах». Физический обзор B. 57 (13): 7556–7570. Bibcode:1998ПхРвБ..57.7556Н. Дои:10.1103 / PhysRevB.57.7556. S2CID  55789148.
  23. ^ "каскад смещения" Поиск, YouTube.com
  24. ^ а б А. Мефтах; и другие. (1994). «Образование трека в SiO2 кварц и термоспайковый механизм ». Физический обзор B. 49 (18): 12457–12463. Bibcode:1994ПхРвБ..4912457М. Дои:10.1103 / PhysRevB.49.12457. PMID  10010146.
  25. ^ К. Траутманн; С. Клаумюнцер; Х. Тринкаус (2000). «Влияние напряжения на образование следов в аморфном железо-борном сплаве: следы ионов как упругие включения». Письма с физическими проверками. 85 (17): 3648–51. Bibcode:2000ПхРвЛ..85.3648Т. Дои:10.1103 / PhysRevLett.85.3648. PMID  11030972.
  26. ^ Э. Бринга; Р. Джонсон (2002). «Кулоновский взрыв и тепловые пики». Письма с физическими проверками. 88 (16): 165501. arXiv:cond-mat / 0103475. Bibcode:2002ПхРвЛ..88п5501Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.88.165501. PMID  11955237.
  27. ^ Д. Канджиджал (2001). «Быстрая модификация, индуцированная тяжелыми ионами, и образование треков в материалах» (PDF). Текущая наука. 80: 1560.
  28. ^ П. Клут; и другие. (2008). «Тонкая структура в треках быстрых тяжелых ионов в аморфном SiO.2". Письма с физическими проверками. 101 (17): 175503. Bibcode:2008PhRvL.101q5503K. Дои:10.1103 / PhysRevLett.101.175503. HDL:10440/862. PMID  18999762.
  29. ^ Д. Альбрехт; и другие. (1985). «Исследование дефектных структур в изоляторах, образованных тяжелыми ионами, методом малоуглового рассеяния». Прикладная физика A. 37 (1): 37–46. Bibcode:1985АпФА..37 ... 37А. Дои:10.1007 / BF00617867.
  30. ^ А. Стручбери; Е. Безакова (1999). «Время жизни теплового всплеска от предравновесных эффектов пикосекундной длительности в сверхтонких магнитных полях после ионной имплантации». Письма с физическими проверками. 82 (18): 3637. Bibcode:1999ПхРвЛ..82.3637С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.82.3637.
  31. ^ И. Копонен (1993). «Передача энергии между электронами и ионами в плотных каскадах смещения». Физический обзор B. 47 (21): 14011–14019. Bibcode:1993ПхРвБ..4714011К. Дои:10.1103 / PhysRevB.47.14011. PMID  10005739.
  32. ^ К. Нордлунд; Ф. Гао (1999). «Формирование тетраэдров дефектов упаковки в каскадах столкновений». Письма по прикладной физике. 74 (18): 2720. Bibcode:1999АпФЛ..74.2720Н. Дои:10.1063/1.123948.
  33. ^ М. О. Руо; Ж. Шомон; Дж. М. Пениссон; А. Бурре (1984). «Высокое разрешение и исследование дефектов в Si, облученном Bi». Философский журнал А. 50 (5): 667. Bibcode:1984PMagA..50..667R. Дои:10.1080/01418618408237526.
  34. ^ Э. Часон; и другие. (1997). «Ионные пучки в обработке и определении характеристик кремния» (PDF). Журнал прикладной физики. 81 (10): 6513–6561. Bibcode:1997JAP .... 81.6513C. Дои:10.1063/1.365193. Архивировано из оригинал (PDF) на 23.06.2010.
  35. ^ В. Д. С. Дакка; и другие. (2006). «Сверхбыстрая динамика Ni + -облученных и отожженных множественных квантовых ям GaInAs / InP». Журнал физики D. 39 (13): 2659–2663. Bibcode:2006JPhD ... 39.2659D. Дои:10.1088/0022-3727/39/13/004. S2CID  55536038.
  36. ^ А. Кис; и другие. (2004). «Армирование пучков однослойных углеродных нанотрубок с помощью межтрубных перемычек». Материалы Природы. 3 (3): 153–7. Bibcode:2004 НатМа ... 3..153K. Дои:10.1038 / nmat1076. PMID  14991016.
  37. ^ К. Траченко (2004). «Понимание устойчивости к аморфизации радиационным повреждением». Журнал физики: конденсированное вещество. 16 (49): R1491 – R1515. Bibcode:2004JPCM ... 16R1491T. Дои:10.1088 / 0953-8984 / 16/49 / R03.
  38. ^ Р. Уэбб; Д. Харрисон (1983). «Компьютерное моделирование ямок в металлах ионной бомбардировкой». Письма с физическими проверками. 50 (19): 1478. Bibcode:1983PhRvL..50.1478W. Дои:10.1103 / PhysRevLett.50.1478. HDL:10945/44927.
  39. ^ В. Ягер; К. Л. Меркл (1988). «Образование кластеров дефектов в каскадах высокой плотности энергии в золоте». Философский журнал А. 57 (3): 479. Bibcode:1988PMagA..57..479J. Дои:10.1080/01418618808204681.
  40. ^ М. Гали; Р. Авербек (1994). «Влияние вязкого течения на ионное повреждение вблизи твердых поверхностей». Письма с физическими проверками. 72 (3): 364–367. Bibcode:1994ПхРвЛ..72..364Г. Дои:10.1103 / PhysRevLett.72.364. PMID  10056412.
  41. ^ Дж. Самела; К. Нордлунд (2008). «Атомистическое моделирование перехода от атомистических к макроскопическим кратерам». Письма с физическими проверками. 101 (2): 027601. Bibcode:2008PhRvL.101b7601S. Дои:10.1103 / PhysRevLett.101.027601. PMID  18764228. S2CID  15787700.
  42. ^ Т. Пугачева; Ф. Гюрабекова; С. Хвалиев (1998). «Эффекты каскадного смешения, распыления и диффузии при облучении нитрида бора световыми ионами высокой дозой». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция B. 141 (1–4): 99–104. Bibcode:1998НИМПБ.141 ... 99П. Дои:10.1016 / S0168-583X (98) 00139-6.
  43. ^ Пугачева, Т; Гюрабекова, Ф; Хвалиев, С (1998). «Эффекты каскадного смешения, распыления и диффузии при облучении нитрида бора световыми ионами высокой дозой». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция B. 141 (1–4): 99–104. Bibcode:1998НИМПБ.141 ... 99П. Дои:10.1016 / S0168-583X (98) 00139-6.

внешняя ссылка