Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. РЕЗУЛЬТАТЫ МД МОДЕЛИРОВАНИЯ В ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИОНОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ 11
введение 11
1.1. Эрозия и модификация поверхности при ионном облучении .... 12
1.1.1 .Введение 12
1.1.2. Модели расчета 13
1.1.3 Обсуждение 14
1.2. Взаимодействие фуллеренов с полимерами: от
фундаментальных проблем к анализу поверхности 18
-
Введение 18
-
Методики 19
-
Образование кратеров на поверхности и десорбция молекул при облучении фуллеренами 20
-
Проблемы анализа состава поверхности и профиля распределения по глубине 23
1.3. Энергетические и размерные эффекты в распылении
нанокластеров металлов при бомбардировке медленными ионами
26
-
Обратное рассеяние ионов поверхностью кластеров 26
-
Энергетическая и размерная зависимость коэффициента распыления кластера 32
1.4. ОСОБЕННОСТИ РАСПЫЛЕНИЯ НИТРИДОВ И ИХ КОМПОНЕНТ 35
-
Введение 35
-
Методика моделирования 36
-
Обсуждение 36
-
Коэффициент распыления 36
-
Преимущественное распыление компонент нитридов 38
-
Средние энергии распыленных частиц 40
1.4.3.4.0тношения средних энергий компонент нитридов 41
1.5. Выводы ГЛАВЫ 1 43
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА МОЛЕКУЛЯРНО ДИНАМИЧЕСКОГО
РАСЧЕТА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИОНОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ 44
-
Введение 44
-
Уравнение Ньютона 46
-
Интегрирование уравнения Ньютона 50
-
Метод центральных разностей 50
-
Метод средней силы 51
-
Алгоритм Эйлера-Коши 52
-
Метод предиктор-корректор 52
-
Алгоритм Верле 53
-
Метод Нордзика 54
-
Выбор временного шага. Методика учета траекторий 55
-
Потенциалы взаимодействия 60
-
Потенциал Борна-Майера 60
-
Потенциалы притяжения 61
-
Нахождение параметров потенциала взаимодействия 64
-
Выбор потенциала взаимодействия при моделировании распыления 67
-
Модель мишени 69
-
Выводы главы 2 73
ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ РАСПЫЛЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ N1-
PD С РАЗНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ КОМПОНЕНТ 75
ЗЛ.Введение 75
-
Методика расчета 76
-
Результаты и обсуждение 76
3.3.1. Закономерности распыления поликристаллов Ni uPd 76
-
Энергетическая зависимость коэффициентов распыления.76
-
Зависимость распыления от угла падения облучающих ионов 77
-
Пространственное распределение распыленных атомов ....78
3.3.2. Распыление поликристаллов NiPd, NisPd и NiPds 80
-
Зависимость коэффициентов распыления от энергии ионов 80
-
Изменение распыления с углом падения ионов 81
-
Преимущественное распыление компонент 82
-
Пространственное распределение распыленных частиц 84
3.4. Выводы главы 3 85
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ
МОНОКРИСТАЛЛА NIPD НА ПРОЦЕСС ЕГО РАСПЫЛЕНИЯ 87
4.1.введение 87
-
Методика моделирования 90
-
Результаты и обсуждение 92
-
Состав верхних слоев грани (001) монокристалла неупорядоченного соединения NiPd. 92
-
Зависимость распыления моно- и поликристалла NiPd от энергии облучающих ионов 92
-
Угловая зависимость распыления грани (OOl)NiPd для разного состава поверхностных слоев 94
-
Пространственное распределение эмитированных атомов Ni и Pd для неизменного состава грани (001) NiPd и с учетом перестройки верхних слоев 98
4.4. Выводы главы 4 103
ГЛАВА 5. УГЛОВЫЕ И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
РАСПЫЛЕНИЯ НИТРИДА БОРА 106
5.1.Введение 106
-
Модель расчета 107
-
Результаты и обсуждение 108
-
Изменение распыления поликристалла BN с углом падения бомбардирующих ионов 109
-
Зависимость коэффициента распыления поликристалла BN от его температуры 114
-
Температурная зависимость пространственного распределения частиц B+N, распыленных из поликристалла BN.... 116
5.4. Выводы главы 5 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 125
БЛАГОДАРНОСТЬ 127
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 128
Введение к работе
Актуальность работы. 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 поверхности различных материалов.
Ионная бомбардировка поверхности твердых тел 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.
Необходимо особо отметить важность исследования механизмов ионного распыления бинарных соединений для развития современного метода анализа состава поверхности - метода ВИМС (вторично-ионной масс-спектрометрии). Этот метод весьма перспективен, в частности, для определения примесей в горных породах, наличие которых позволяет судить о механизмах и времени их образования. 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. Применяются два основных подхода к моделированию ионной бомбардировки твердых тел: приближение парных столкновений (ППС) и классический динамический метод, который иногда называют методом молекулярной динамики (ММД). Последний наиболее полно описывает физическую картину распыления, но требует больше временных затрат на получение численных результатов. Это связано с учетом большого числа взаимодействующих частиц в мишени.
В настоящей работе созданы и апробированы математические модели мишеней и методика численного расчета ионного распыления бинарных соединений с минимальной затратой машинного времени на основе ММД. 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 бинарному упорядоченному соединению — нитриду бора. Это - второй, после алмаза, материал по твердости, прочность которого возрастает с ростом температуры. У нитрида бора высокая коррозионная стойкость в большинстве применяемых сред, радиационная стойкость, слабая активация в нейтронном поле реактора. В диссертации в качестве исследуемых объектов были выбраны именно эти соединения.
Цель работы. Целью работы являлась разработка математических моделей и алгоритмов численного МД расчета для исследования процесса ионного распыления твердых тел, и в частности бинарных соединений.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
Построение алгоритма МД моделирования процесса ионного распыления твердых тел, моделей кристалла и межатомных взаимодействий;
Разработка программ расчета ионного распыления твердых бинарных соединений;
Проведение с использованием компьютерного моделирования численных расчетов: угловых и энергетических распределений частиц, распыленных из кристаллов бинарных неупорядоченных соединений Ni-Pd разного состава; температурных зависимостей и пространственных распределений распыленных атомов, выходящих из кристалла бинарного упорядоченного соединения BN;
4. Изучение МД моделированием влияния состава поверхностных слоев неупорядоченного соединения (Ni-Pd) на процесс его распыления;
5. Выявление факторов, определяющих форму угловых, пространственных и энергетических распределений распыленных частиц.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Созданы и апробированы математическая модель и методика численного расчета ионного распыления твердых тел с минимальной затратой машинного времени.
2. МД моделированием показано, что пространственное распределение атомов, распыленных из монокристалла неупорядоченного соединения NiPd, характеризуется преимущественным выходом компонентов в одних и тех лее направлениях плотной упаковки (<011> и [001]), тогда как компоненты упорядоченного монокристалла соединения BN выходят е разных кристаллографических направлениях типа<1120>.
3. С помощью численного расчета установлено, что преимущественное распыление компонентов соединения поликристалла NiPd зависит от состава поверхностных слоев, а также от энергии и угла падения ионов. Угловая зависимость коэффициента распыления монокристалла NiPd качественно различается при распылении быстрыми и медленными ионами.
4. Методом компьютерного моделирования показано, что температурная зависимость коэффициента распыления поликристалла BN значительно меняется с углом падения ионов. Скорость роста угловых зависимостей коэффициента распыления поликристалла BN уменьшается с увеличением его температуры как для суммарного выхода частиц (B+N), так и для каждого компонента.
Научная новизна исследований:
1. Предложены математические модели и методики численного МД моделирования распыления поверхности твердого тела при ионном облучении, позволяющие получать качественное и количественное согласие с экспериментальными данными.
2. Выявлены факторы, определяющие форму угловых, пространственных и энергетических распределений частиц, распыленных из кристаллов неупорядоченных соединений Ni-Pd.
3. Определено влияние состава поверхностных слоев моно- и поликристаллов бинарного соединения Ni-Pd на закономерности его распыления.
4. Впервые получены угловые зависимости и пространственные распределения распыленных атомов, выходящих из упорядоченного соединения BN в широком интервале его температур (от 0 до 3000С).
Практическое значение работы:
Созданы математическая модель и методика расчета ионного распыления кристалла, позволяющие сократить время достоверного численного эксперимента на 2-4 порядка по сравнению с обычным полным молекулярно-динамическим рассмотрением.
Установленные закономерности распыления соединений Ni-Pd с измененным составом поверхностных слоев важны для практического использования этого соединения при создании микроэлектронных и медицинских приборов.
Обнаружены особенности распыления соединений Ni-Pd с разным содержанием компонентов, которые необходимо учитывать при совершенствовании количественного ВИМС анализа твердого тела.
Полученные закономерности распыления нитрида бора при высоких температурах важны для развития методов исследования состава материалов ионными пучками и при конструировании плазменных приборов.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты диссертации приняты к использованию при разработке учебного курса «Физика» для студентов специальностей АСУ, САПР факультета автоматизации и управления Московского государственного горного университета.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 19ой Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Звенигород, 2009 г.), на научных семинарах кафедры физики МГГУ (2008-2010гг.).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 5 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 39 рисунков и библиографию из 200 наименований.
