Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время возрос интерес к исследованию процесса ионного распыления твердых тел. Это связано как с необходимостью решения фундаментальных вопросов взаимодействия ионов с поверхностью, так и с быстрым ростом практического использования распыления для модификации и анализа состава различных материалов.
Ионная бомбардировка сопровождается сложными процессами в приповерхностной области мишени, изменяющими ее структуру и состав. Эти изменения, с одной стороны, является нежелательным эффектом, приводящим к систематическим ошибкам при диагностике поверхности; с другой стороны, они составляют важный элемент технологии создания модифицированных слоев. И в том и в другом случае, необходимо четкое понимание механизмов и особенностей протекания ионно-стимулированных процессов вблизи поверхности твердых тел, и в частности, бинарных соединений, которые широко применяются на практике.
Особый интерес для исследования физики взаимодействия ионов с поверхностью твердого тела представляют бинарные ферромагнитные неупорядоченные соединения Ni-Pd, которые используются в микроэлектронике и в медицине, например, при развитии методов магнитно-резонансной томографии и фиксировании необходимых участков для локального нагрева. Большое внимание уделяется также бинарным упорядоченным соединениям – PbTe и PbSe, которые имеют широкое практическое использование: при создании фоторезисторов, работающих в инфракрасной области спектра, в производстве термоэлектрических генераторов и др. PbSe применяется также в солнечных батареях. Поскольку в ряде применений PbTe и PbSe подвергаются ионному облучению, важно исследовать процесс их распыления. Помимо этого, исследование процессов при ионном облучении упорядоченных биметаллов PbTe и PbSe, имеющих простую кубическую решетку, представляет несомненный интерес с физической точки зрения. Процессы, происходящие при ионной бомбардировке таких соединений (и в частности, анизотропия распыления), никогда не рассматривались ранее. Необходимо отметить важность исследования механизмов ионного распыления бинарных соединений для развития современного метода анализа состава поверхности – метода ВИМС (вторично-ионной масс-спектрометрии). Для совершенствования метода ВИМС и увеличения его разрешающей способности необходимо детальное теоретическое и модельное исследование процесса ионного распыления.
Вследствие значительных трудностей, возникающих при теоретическом исследовании взаимодействия ионов с атомами мишени для решения, как фундаментальных, так и прикладных задач, часто используется математическое моделирование. В настоящей работе поставленные задачи решались методом молекулярно-динамического (МД) моделирования. Были созданы и апробированы модели мишеней и методика численного расчета ионного распыления твердых тел с минимальной затратой машинного времени. МД моделированием исследованы различные аспекты ионного распыления бинарных соединений с неупорядоченной (Ni-Pd) и упорядоченной (PbTe и PbSe) структурой, имеющих большое практическое применение.
Целью работы является изучение особенностей эмиссии атомных частиц при ионном облучении двухкомпонентных соединений методами МД моделирования.
Задачи исследования:
– разработка МД программы расчета ионного распыления двухкомпонентных соединений;
– изучение угловых и энергетических распределений частиц, распыленных из неупорядоченных сплавов никеля с палладием с разным содержанием компонент;
– определение условий радиационной устойчивости упорядоченных бинарных соединений PbTe и PbSe в процессе их распыления, построение угловых и энергетических распределений распыленных частиц;
– выявление особенностей пространственных распределений частиц, распыленных из неупорядоченных и упорядоченных двойных сплавов.
Объект исследования.
В качестве объектов исследования выбраны бинарные ферромагнитные неупорядоченные соединения Ni-Pd с неизменённым составом поверхностных слоев и с учетом сегрегации, а так же идеальные бинарные упорядоченные соединения – PbTe и PbSe. Рассматривались моно- и поликристаллы указанных соединений.
Предмет исследования.
Исследование процесса распыления твердых тел при ионном облучении двухкомпонентных соединений методами молекулярно-динамического моделирования, определение условий их радиационной устойчивости.
Методы исследования.
Процесс распыления атомов твердых тел при ионном облучении двухкомпонентных соединений исследовался путем построения физической модели и основанной на ней математической молекулярно-динамической модели. На базе этих моделей была создана методика и программа расчета распыления кристаллов, позволяющие получить угловые, пространственные и энергетические распределения распыленных частиц в широком диапазоне энергий.
Научная новизна.
1. Разработаны физические модели и математическая МД модель прогнозирования изменений физических свойств бинарных соединений в зависимости от ионного распыления поверхности, позволяющие получать качественное и количественное согласие с экспериментальными данными.
2. Установлены физические закономерности распыления неупорядоченных монокристаллов Ni-Pd с неизменённым составом поверхностных слоев и с учетом сегрегации при нормальном и наклонном падении ионов аргона в широком диапазоне энергий.
3. Выявлены факторы, определяющие форму угловых, пространственных и энергетических распределений частиц, распыленных из кристаллов неупорядоченных соединений Ni-Pd.
4. Впервые исследованы угловые зависимости и пространственные распределения распыленных атомов, выходящих из моно- и поликристаллов упорядоченных бинарных соединений PbTe и PbSe с простой кубической решеткой под воздействием облучения ионами Ar+ с энергией от 0.1 до 60 кэВ. Определены механизмы, влияющие на закономерности их распыления.
Достоверность разработанной физической и математической МД модели распыления бинарных соединений и сделанными на ее основе расчетов подтверждается качественным и количественным согласием расчетных и экспериментальных данных.
Практическая значимость.
1. Созданы модели мишеней и методика расчета распыления кристаллов, позволяющие сократить время достоверного численного эксперимента на 2-4 порядка по сравнению с обычным полным молекулярно-динамическим рассмотрением.
2. Установленные закономерности распыления ферромагнитных соединений Ni-Pd важны при их использовании в микроэлектронике, медицине, например, при совершенствовании методов магнитно-резонансной томографии и фиксировании участков для локального разогрева.
3. Обнаружены особенности распыления соединений Ni-Pd с разным содержанием компонент, которые следует использовать при совершенствовании количественного ВИМС анализа твердого тела.
4. Полученные результаты по ионному распылению полупроводниковых соединений PbTe и PbSe, важны для конструирования солнечных батарей, а также при создании фоторезисторов, используемых, например, при создании спектральных аналитических приборов регистрации в атмосфере опасных концентраций СО, СО2 и ряда органических соединений.
Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту.
При исследовании ионного распыления бинарных соединений с неупорядоченной (Ni-Pd) и упорядоченной (PbTe и PbSe) структурой впервые получены следующие результаты.
1. Угловая зависимость коэффициента распыления Y() соединений NiPd, PbTe и PbSe качественно различается для кристаллов с ПК и ГЦК решеткой, а также при распылении быстрыми и медленными ионами. Для быстрых ионов наблюдаются обычные минимумы Y() в направлениях открытых каналов кристаллической решетки. Для медленных ионов минимумы в направлениях открытых каналов пропадают, и возникают максимумы в направлениях плотной упаковки.
2. Энергетическая зависимость коэффициента распыления Y(E0) поликристаллов соединений NiPd и PbTe имеет максимум при энергии Е0 ионов аргона, равной 40 кэВ, что совпадает с данными для других мишеней. Для грани (001) монокристаллов NiPd максимум Y(E0) расположен при E0 2 кэВ, а для Pb, PbTe и PbSе при более высокой энергии E0 15 кэВ, что объяснено особенностью распыления атомов большой массы. При наклонном падении ионов на монокристаллы NiPd и PbTe происходит сдвиг максимумов Y(E0) в сторону бльших энергий, по сравнению со случаем нормального падения.
3. Пространственные распределения распыленных атомов (картина пятен), для монокристаллов бинарных соединений NiPd и PbTe, характеризуются преимущественным выходом компонентов в одних и тех же направлениях плотной упаковки (<011> и <001>) и качественно меняются с энергией и углом падения облучающих ионов. Картина пятен при одинаковых условиях облучения различается для кристаллов NiPd (ГЦК-решетка) и PbTe (ПК-решетка).
4. Полярное распределение атомов, распыленных с грани (001) упорядоченного монокристалла PbTe с простой кубической решеткой, зависит от энергии Е1 выходящих частиц и различается для атомов Te и Pb. Вблизи направления [011] эмитируют атомы с малыми энергиями (Е1 = 10 эВ), что характерно для фокусированных столкновений. Для частиц с энергией Е1 = 30 эВ происходит выход атомов при больших полярных углах, когда частицы распыляются из поверхностных слоев после малого числа столкновений.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 17-я Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» (г. Звенигород, 2005 г.), 5th Iberian Vacuum Meeting RIVA (Portugal, 2005),18-я Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» (г. Звенигород, 2007 г.), 19-я Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» ( г. Звенигород, 2009 г.), 20th International Conference on Ion Beam Analysis, Plaza Itapema Resort & Spa (Itapema, SC – Brazil, 10-15 April, 2011), 20-я Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» (г. Звенигород, 2009 г.)
Соответствие паспорту специальности.
Работа соответствует пунктам 1, 2, 4 и 5 паспорта специальности 01.04.07. «Физика конденсированного состояния».
Публикации.
Основные результаты выполненных исследований и разработок опубликованы в 10 печатных работах, в том числе в 3 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень журналов и изданий, рекомендуемых ВАК РФ.
Личный вклад автора.
Разработана молекулярно-динамическая программа расчета ионного распыления двухкомпонентных соединений, выполнен весь объем расчетов, построены угловые, энергетические и пространственные зависимости частиц, распыленных из двухкомпонентных соединений, проведены сравнения их с известными экспериментальными данными.
Объем и структура диссертации.
Работа содержит 150 страниц текста, включая 64 рисунка и библиографию из 213 наименований. Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов.
