Исследование методом математического моделирования зависимости профилей первичного дефектообразования от угла падения ионов при низкотемпературном облучении поверхности меди ионами Al⁺

Методом математического моделирования, с использованием программных комплексов SPURT.MP и CALCMULT, исследована эволюция пространственного распределения имплантированных ионов и радиационных точечных дефектов по глубине Cu-мишени при облучении последней ионами Al+ с различными углами падения. Энерги...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Вопросы атомной науки и техники
Date:2009
Main Authors: Павленко, В.И., Слепцов, С.Н., Сафонов, В.И.
Format: Article
Language:Russian
Published: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2009
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111119
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Исследование методом математического моделирования зависимости профилей первичного дефектообразования от угла падения ионов при низкотемпературном облучении поверхности меди ионами Al⁺ / В.И. Павленко, С.Н. Слепцов, В.И. Сафонов // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 2. — С. 31-48. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859462079362105344
author Павленко, В.И.
Слепцов, С.Н.
Сафонов, В.И.
author_facet Павленко, В.И.
Слепцов, С.Н.
Сафонов, В.И.
citation_txt Исследование методом математического моделирования зависимости профилей первичного дефектообразования от угла падения ионов при низкотемпературном облучении поверхности меди ионами Al⁺ / В.И. Павленко, С.Н. Слепцов, В.И. Сафонов // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 2. — С. 31-48. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Вопросы атомной науки и техники
description Методом математического моделирования, с использованием программных комплексов SPURT.MP и CALCMULT, исследована эволюция пространственного распределения имплантированных ионов и радиационных точечных дефектов по глубине Cu-мишени при облучении последней ионами Al+ с различными углами падения. Энергия ионов Al+ выбрана равной величине 1 кэВ, угол падения изменялся в интервале от 0 до 80°. Проведено сравнение расчетных профилей с результатами моделирования по программе SRIM2006 и с экспериментальными данными. Установлена корреляция изменения профилей распределения точечных дефектов и имплантированных частиц по глубине мишени в зависимости от угла падения ионов. В зависимости от угла падения ионов определены максимальные глубины и максимумы профилей залегания имплантированных ионов, межузельных атомов и вакансий. Даны качественный и количественный анализы приповерхностных обедненных зон, образующихся в результате развития каскадов смещений в мишени. Показано, что для различных углов падения ионов на поверхность мишени существуют определенные значения углов, при которых достигается максимальная концентрация имплантированных ионов и других точечных дефектов в облучаемом материале, что позволяет эффективно проводить процесс формирования поверхностных слоев материала с наперед заданными свойствами Методом математичного моделювання, з використанням програмних комплексів SPURT.MP й CALCMULT, досліджена еволюція просторового розподілу імплантованих іонів і радіаційних крапкових дефектів по глибині Cu-мішені при опроміненні останньої іонами Al+ з різними кутами падіння. Енергія іонів Al+ обрана рівній величині 1 кэВ, кут падіння змінювався в інтервалі від 0 до 80°. Проведено порівняння розрахункових профілів з результатами моделювання по програмі SRIM2006 і з експериментальними даними. Установлено кореляцію зміни профілів розподілу крапкових дефектів й імплантованих часток по глибині мішені залежно від кута падіння іонів. Залежно від кута падіння іонів визначені максимальні глибини й максимуми профілів залягання імплантованих іонів, міжвузельних атомів і вакансій. Дано якісний і кількісний аналізи приповерхніх збіднених зон, що утворюються в результаті розвитку каскадів зсувів у мішені. Показано, що для різних кутів падіння іонів на поверхню мішені існують певні значення кутів, при яких досягається максимальна концентрація імплантованих іонів й інших крапкових дефектів в опромінюючому матеріалі, що дозволяє ефективно проводити процес формування поверхневих шарів матеріалу з наперед заданими властивостями. An evolution of the implanted ions and radiation point defects distributions in the Cu target, which is maintained at low temperature and irradiated by the Al+ ions at the various bombardment angles, was investigated by computer simulation using the SPURT.MP and CALCMULT codes. The energy of Al+ ions was 1 keV and the ion bombardment angle was varied in the range from 0 to 80°. The correlation of the implanted ions and point defects depending profiles modification on the ion bombardment angle was established. The maximum depth and distribution peak of the implanted ions, vacancies and interstitials in the copper target were determined for the different angles. Good agreements were found between the simulated data and both experimental data and computer results, which were obtained by the SRIM2006 code. It is shown that there is an optimal range of the ion bombardment angles, which provides the maximum concentration of the implanted ions and radiation point defects near the irradiated target surface. It is expected that the obtained results allow optimizing the ion bombardment parameters to obtain the modified target layers with the given properties.
first_indexed 2025-11-24T04:13:35Z
format Article
fulltext ________________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2009. № 2. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (93), с. 31-38. 31 УДК 539.534.9:523.23 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗАВИСИМОСТИ ПРОФИЛЕЙ ПЕРВИЧНОГО ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ ОТ УГЛА ПАДЕНИЯ ИОНОВ ПРИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМ ОБЛУЧЕНИИ ПОВЕРХНОСТИ МЕДИ ИОНАМИ Al+ В.И. Павленко, С.Н. Слепцов, В.И. Сафонов Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина E-mail: pavlenko@kipt.kharkov.ua; v_safonov@kipt.kharkov.ua; glss@kipt.kharkov.ua Методом математического моделирования, с использованием программных комплексов SPURT.MP и CALCMULT, исследована эволюция пространственного распределения имплантированных ионов и радиа- ционных точечных дефектов по глубине Cu-мишени при облучении последней ионами Al+ с различными углами падения. Энергия ионов Al+ выбрана равной величине 1 кэВ, угол падения изменялся в интервале от 0 до 80°. Проведено сравнение расчетных профилей с результатами моделирования по программе SRIM2006 и с экспериментальными данными. Установлена корреляция изменения профилей распределения точечных дефектов и имплантированных частиц по глубине мишени в зависимости от угла падения ионов. В зависи- мости от угла падения ионов определены максимальные глубины и максимумы профилей залегания им- плантированных ионов, межузельных атомов и вакансий. Даны качественный и количественный анализы приповерхностных обедненных зон, образующихся в результате развития каскадов смещений в мишени. Показано, что для различных углов падения ионов на поверхность мишени существуют определенные зна- чения углов, при которых достигается максимальная концентрация имплантированных ионов и других то- чечных дефектов в облучаемом материале, что позволяет эффективно проводить процесс формирования поверхностных слоев материала с наперед заданными свойствами. 1. ВВЕДЕНИЕ Получение поверхностных слоев материалов с наперед заданными физико-химическими, электро- физическими, физико-механическими и магнитны- ми свойствами является проблемой исключительной практической значимости. В настоящее время для решения этой задачи интенсивно используются ра- диационные технологии, в которых поверхность исходного материала подвергается облучению пото- ками частиц [1]. Низкотемпературное и низкоэнергетичное атом- но-ионное облучение поверхности позволяет избе- жать деградации объемных свойств материалов, что делает это направление особенно востребованным в современных технологиях. Наличие внешних пара- метров, таких как температура осаждения на под- ложку, энергия падающих атомов и ионов, их угол падения на поверхность, степень ионизации, ионный и химический составы потока частиц, позволяет эф- фективно управлять изменением и формированием поверхностных свойств материалов. При бомбардировке атомно-ионных потоков по- верхности (в диапазоне кинетических энергий от десятков электронвольт до десятков и сотен кило- электронвольт) в материале мишени и на его по- верхности происходит сложная и длинная цепочка взаимосвязанных физических процессов. В первую очередь, это процессы поверхностной атомной ак- комодации, имплантации падающих ионов или их отражение от поверхности, распыление поверхности материала, развитие каскадов атом-атомных столк- новений, создание точечных дефектов и их скопле- ний, формирование дислокационных петель, вакан- сионных пор и т.д., объемная и поверхностная диф- фузия, макроскопические процессы распухания, охрупчивания и т.п. Экспериментальное изучение каждого отдельно взятого из этой цепочки процесса наталкивается на значительные трудности в связи с их быстротекуче- стью и маскировкой другими процессами, которые являются их ближайшим или отдаленным следстви- ем. В этой ситуации мощным направлением в ис- следовании таких сложных процессов является ме- тод математического моделирования как отдельно взятых вышеперечисленных процессов, так и в це- лом всего явления взаимодействия потоков частиц с твердым телом. В настоящее время утвердилась определенная классификация работ по компьютерному моделиро- ванию, отражающая иерархию физических процес- сов радиационного повреждения: от первого уровня моделирования – первичного процесса взаимодейст- вия ионов с поверхностью мишени и процессов об- разования первично выбитых атомов, до верхних уровней – моделирование и исследование макроско- пических эффектов. Создание взаимосвязанных программных ком- плексов многоуровневого моделирования процес- сов, происходящих в поверхностных слоях облу- чаемой мишени, позволяет обнаружить новые физи- ческие закономерности в сложных неравновесных системах, что, в свою очередь, закладывает предпо- сылки для научного прогнозирования изменения свойств поверхности под воздействием атомно- ионных потоков с помощью компьютерных моде- лей. Решение этой задачи позволило бы перейти к 32 методам предварительного компьютерного модели- рования с выдачей практических рекомендаций в виде возможных значений (или их интервалов) оп- тимальных параметров и характеристик для нужд практической технологии изготовления изделий и покрытий с теми или иными свойствами. К тому же компьютерное моделирование позволяет экономить время и средства реального физического экспери- мента. Компьютерное моделирование процессов пер- вичного дефектообразования при низкотемператур- ном (Т~293 K) и низкоэнергетичном (E<3 кэВ) атомно-ионном воздействии на поверхность иссле- дуемого материала является базовой основой для создания программных комплексов многоуровнево- го моделирования процессов, происходящих в по- верхностных слоях материалов мишени. Это обу- словлено тем, что моделирование процессов пер- вичного дефектообразования дает обширную ин- формацию о первоначальных профилях распределе- ния точечных дефектов и их концентрациях на раз- ных глубинах мишени, которая, в свою очередь, служит исходным материалом для радиационно- диффузионных моделей [2], моделей формирования напряжений сжатия в тонких пленках [3] и других макроскопических теорий, описывающих и модели- рующих процессы кинетики структурообразования и модификации поверхности при ионном облуче- нии. Целью данной работы являлось получение мето- дом математического моделирования профилей пространственного распределения вакансий, собст- венных межузельных атомов мишени и импланти- рованных ионов, и исследование их поведения в зависимости от угла падения ионов на мишень, а также определение оптимальных значений углов падения, при которых достигается максимальная концентрация первичных дефектов в облучаемом материале. Расчеты проведены с использованием программ- ных комплексов SPURT.MP [4] и CALCMULT [5] на примере облучения ионами Al+ с энергией Е=1 кэВ мишени из Cu при углах падения пучка ионов α=0…800. 2. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ И ТЕСТОВЫЕ ПРИМЕРЫ Процесс получения профилей первичного дефек- тообразования можно представить следующим об- разом. На первом этапе, с помощью программы ма- тематического моделирования методом Монте- Карло SPURT.MP, получаем координаты (х, у, z) вакансий, собственных межузельных атомов мише- ни, имплантированных частиц, распыленных атомов и отраженных ионов для пары Al+->Cu. На втором этапе полученные массивы данных поступают в программу CALCMULT, которая обрабатывает ко- ординаты точечных дефектов, генерируемых про- граммой SPURT.MP и формирует соответствующие профили распределения имплантированных ионов, межузельных атомов и вакансий. Детальное описание программы SPURT.MP представлено в работе [4], а программы CALC- MULT – в работе [5]. Кратко опишем основные физические положения программ и основные физические параметры, ис- пользованные в данных вычислениях. Программа SPURT.MP основана на парном столкновении иона с первоначально покоящимся атомом мишени. При проведении расчетов облучае- мый образец толщиной х=500 Å аппроксимируется однородной аморфной мишенью с плотностью ρ0, при этом атомы мишени распределены в простран- стве подобно изотропному распределению ядер атомов «замороженного» атомарного газа. Упругое рассеяние налетающей частицы на атомах мишени рассматривается в классическом приближении пар- ных столкновений. Для расчета акта парного столк- новения частиц используются заранее насчитанные таблицы унифицированных характеристик класси- ческого рассеяния. Значения минимального рас- стояния между сталкивающимися частицами rmin, угла рассеяния θ, интеграла времени τ предвари- тельно рассчитываются и запоминаются програм- мой CLASIC, являющейся статической частью ком- плекса SPURT.MP [4]. Величины rmin, θ, τ табули- руются в виде соответствующих унифицированных двумерных таблиц классического рассеяния в зави- симости от энергии налетающей частицы и при- цельного параметра. Атомное взаимодействие опи- сывается универсальным потенциалом [4]. Между двумя актами последовательных соударений с ато- мами мишени свободный пробег L движущейся час- тицы предполагается прямолинейным и определяет- ся как L= 3 V , где V – средний объем, приходя- щийся на один атом мишени. Движущаяся частица сталкивается с атомами с прицельным параметром Р, который разыгрывается случайным образом в диапазоне значений [0,0.5×L]. Соотношение между поперечным сечением и длиной свободного пробега L задается соотношением вида π×Pmax 2×L=V, (1) где Pmax – максимальный прицельный параметр. Электронные потери энергии движущейся час- тицы сбрасываются по нелокальному механизму потерь энергии [4]. Неупругие потери энергии меж- ду двумя соударениями рассчитываются по форму- ле: ΔEe = L×N×Se(E), (2) где N – атомная плотность мишени в атомах на сан- тиметр кубический, а Se(E) - сечение электронных потерь, рассчитываемое по процедуре, описанной в работе [6]. Частица считается остановившейся, если ее энергия станет ниже пороговой энергии остановки Es. Неподвижный атом мишени после взаимодейст- вия с налетающей частицей может начать свое дви- жение, если он получит энергию больше пороговой энергии движения Em. В данных расчетах при моде- лировании считалось, что объемная энергия связи атома Eb равна нулю, а минимальная энергия начала движения частицы Em полагалась равной энергии 33 сублимации Us. При исследовании распределения радиационных дефектов энергия Em выбиралась равной пороговой энергии дефектообразования Ed. Для меди Ed=25 эВ. Выбитые из узлов атомы мишени либо отражен- ные падающие ионы, собирающиеся покинуть по- верхность мишени, рассматриваются как кандидаты на распыление или отражение соответственно. Для вылета из мишени частица должна преодолеть пло- ский потенциальный барьер, расположенный парал- лельно поверхности мишени на высоте h=2×Pmax, с поверхностной энергией Ebar=Us. Если вылетающая частица подходит к потенци- альному барьеру с энергией Eо под углом β, отсчи- тываемым от нормали к поверхности мишени, то после прохождения барьера ее энергия и направле- ние движения становятся E = Eо − Еs , (3) β = arccos E EE s 2 0 cos −β . (4) Частицы с энергиями Eо<Еs (cos β)−2, преломля- ясь на барьере, отражаются обратно на поверхность мишени. Такие частицы осаждаются в поверхност- ном слое и эффективно рекомбинируют с вакансия- ми. При Eо>Еs (cos βо)−2 вылетающая частица поки- дает поверхность мишени и считается распыленным атомом или отраженным первичным ионом. При моделировании не принимаются в расчет случаи, вызванные «нелинейными» каскадными эффектами, т.е. во время облучения мишени счита- ем, что перекрытие каскадных областей, иницииро- ванных первично выбитыми атомами, не происхо- дит, а реализуется так называемый «режим линей- ных каскадов» [7]. Основные численные значения указанных выше физических соотношений, величин и параметров, используемыхв программе SPURT.MP, приведены в табл. 1. Таблица 1 Значения параметров, используемых при моделировании по программе SPURT.MP при облучении Cu ионами Al+ Параметры Программа моделирова- ния SPURT.MP Толщина мишени, x 500 Å Энергия сублимации, Us 3,52 эВ Объемная энергия связи, Eb 0,00 эВ Энергия остановки, Es 4,00 эВ Энергия потенциального барьера, Ebar 3,52 эВ Пороговая энергия движения, Ed 25,0 эВ Плотность мишени, ρ0 8,92 г/см3 Угол падения ионов на мишень, α 0…80° Длина свободного пробега частицы между столкновениями, L 2,28 Å Максимальный прицельный параметр, Pmax 1,29 Å Компьютерное моделирование является методом теоретического исследования, а соответствующие прикладные программы есть функциональное изло- жение представлений исследователя об изучаемом процессе. Следовательно, возникает вопрос - на- сколько эти представления соответствуют действи- тельности. Ответ дает тестирование программы- модели. Ее цель – установление непротиворечиво- сти модели существующим представлениям об опи- сываемом явлении или процессе. Если результаты тестирования удовлетвори- тельны, то появляется возможность: ― непосредственно осуществлять компьютер- ный эксперимент (основываясь на заложенных фи- зических моделях) и отслеживать те или иные физи- ческие процессы и явления в целом или по частям, происходящие на поверхности и в объеме материала в процессе облучения, оперативно сравнивая ре- зультаты с реальным экспериментом; ― выполнять исследования там, где экспери- ментальных данных еще нет, тем самым способст- вуя дальнейшему развитию и углублению наших пониманий сути изучаемых процессов. Были проведены многочисленные тестовые рас- четы с целью сравнения результатов моделирования по программам SPURT.MP и CALCMULT с резуль- татами аналогичных расчетов, выполненных с ис- пользованием программного кода SRIM2006 [8] и экспериментальными данными, полученными авто- рами работы [9]. В качестве примера на рис. 1-2 приведены ре- зультаты тестирования на примере облучения иона- ми Al+ с энергией Е=2,7 кэВ мишени из Cu при угле падения пучка ионов α=00. Показаны первоначаль- ные (в отсутствие процессов диффузии) распределе- ния имплантированных ионов алюминия Gimp(х) и вакансий Gv(х), полученных по программам SPURT.MP, CALCMULT и SRIM2006. 0 20 40 60 80 100 120 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 Gimp(x), A-1 x, A SPURT.MP+CALCMULT SRIM2006 Al+->Cu: E=2.7 кэВ, α=00 Рис. 1. Первоначальные распределения имплантиро- ванных ионов Gimp(х) при облучении мишени из меди ионами Al+ с энергией E=2,7 кэВ и углом падения ионов α=0°, полученные по программам SPURT.MP, CALCMULT и SRIM2006 34 0 20 40 60 80 100 120 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 Gv(x), A-1 x, A SPURT.MP+CALCMULT SRIM2006 Al+->Cu: E=2.7 кэВ, α=00 Рис. 2. Первоначальные распределения вакансий Gv(х) при облучении меди ионами Al+ с энергией E=2,7 кэВ и углом падения ионов α=0°, полученные по программам SPURT.MP, CALCMULT и SRIM2006 В табл. 2 приведены результаты расчетов кон- центраций Al+, имплантированного в медь, выпол- ненных по программам SPURT.MP и CALCMULT на заданной глубине мишени, в диапазоне кинети- ческих энергий падающего потока ионов 1…2,7 кэВ при угле падения α=0°, в сравнении с эксперимен- тальными значениями, полученными авторами ра- боты [9]. Концентрация алюминия во всех выбран- ных примерах соответствует глубине ~42…45 Å от поверхности мишени. Таблица 2 Концентрации Al+ на глубине ~42…45 Å, получен- ные с помощью компьютерного моделирования в сравнении с экспериментальными результатами [9] Энергия облучения, кэВ SPURT.MP+CALCMULT: концентрация Al, ат.% Эксперимент: концентрация Al, ат.% 1,0 10,14 9,3 1,2 12,31 9,8 1,5 17,37 11,5 2,7 13,45 10,0 Сравнительный анализ представленных выше концентраций имплантированного алюминия на заданной глубине, полученных из эксперимента [9] и рассчитанных по программам SPURT.MP и CALCMULT, демонстрирует качественное согласие. Расхождение экспериментальных и расчетных зна- чений концентраций в основном может быть объяс- нено отсутствием учета диффузионных процессов при моделировании. Кратко оценивая результаты тестовых расчетов (см. рис. 1,2 и табл. 2), можно констатировать факт – предложенные алгоритмы и модели получения пер- воначальных (мгновенных) распределений точечных радиационных дефектов по программам SPURT.MP и CALCMULT приводят к результатам, которые согласуются с современными представлениями о данном процессе и вполне могут быть использованы для дальнейших исследований. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 3.1. ПРОФИЛИ ИМПЛАНТИРОВАННЫХ ЧАСТИЦ Детальная информация о распределении имплан- тированных в металлы частиц призвана скорректи- ровать некоторые положения и параметры теории, например, такие как средний проективный пробег частиц в металлах, характер разброса этой величины во взаимосвязи с составом металла, типом и концен- трацией присутствующих в нем примесей и т.п. С другой стороны, с точки зрения эксперимен- тальной науки, ионная имплантация является одним из наиболее перспективных методов поверхностной обработки материалов [1]. С ее помощью можно улучшить такие характеристики металлов, как твер- дость, износостойкость, предел усталостной проч- ности и др. Большое количество работ по ионной имплантации посвящено исследованию возможно- сти повышения коррозионной стойкости металлов, так как процесс коррозии – поверхностное явление, а ионная имплантация представляет собой уникаль- ный способ модификации поверхности без измене- ния объемных свойств металлов. В результате им- плантации в поверхностных слоях может быть по- лучена высокая концентрация вводимых атомов. Но при этом в этих же слоях образуется большое число вакансий и межузельных атомов. Эти два наклады- вающихся друг на друга процесса оказывают суще- ственное влияние на электрофизические, физико- химические, физико-механические, магнитные свойства металлов. Методы компьютерного моделирования позво- ляют глубже понять и осмыслить физические про- цессы, происходящие в поверхностных слоях мате- риала под воздействием ионного облучения. 0 10 20 30 40 50 60 70 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 Gimp(x), A-1 x, A SPURT.MP+CALCMULT: Al+->Cu, E=1 кэВ профили имплантированного Al+ α=00 α=200 α=400 α=700 Рис. 3. Профили распределения имплантированных ионов алюминия Gimp(х) при облучении медной ми- шени ионами Al+ с энергией E=1,0 кэВ при различ- ных углах падения ионов α=0…700, полученные по программам SPURT.MP и CALCMULT Комплекс программ SPURT.MP и CALCMULT позволяет непосредственно в результате моделиро- вания получать профили имплантированных ионов, давать им количественную оценку, определять тол- щину модифицированного слоя и др. На рис. 3 пока- 35 заны профили распределения имплантированных ионов Al+ в меди при различных углах падения α. Этот рисунок наглядно демонстрирует влияние угла падения потока падающих на мишень частиц. Видно, что с увеличением угла α профили «прижи- маются к поверхности», а значения максимумов профилей уменьшаются (рис. 4) и также сдвигаются к поверхности (рис. 5), что является прямым следст- вием все возрастающего (с увеличением α) потока отраженных ионов (рис. 6) в общем потоке падаю- щих частиц. Кроме того, из рис. 4-5 следует, что максимальная концентрация имплантированных ионов Al+ достигается при угле облучения α=10° на глубине 11,01 Å от поверхности материала мишени. Таким образом, при ионной обработке поверхно- сти для пары Al+->Cu оптимальное значение угла облучения мишени, при котором достигается мак- симальная концентрация имплантированных ионов, соответствует α=10°. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 H m ax , о тн .е д. α, угол падения SPURT.MP+CALCMULT Al+->Cu, E=1 кэВ Рис. 4. Зависимость значений максимумов (в относительных единицах) профилей ионов алю- миния от их угла падения на мишень при моделиро- вании облучения меди ионами Al+ с энергией E=1,0 кэВ, полученная по программам SPURT.MP и CALCMULT 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 2 4 6 8 10 12 X m ax , а нг ст ре м α, угол падения SPURT.MP+CALCMULT Al+->Cu, E=1 кэВ Рис. 5. Зависимость положений максимумов профи- лей ионов алюминия (относительно поверхности) от их угла падения на мишень, полученная по про- граммам SPURT.MP и CALCMULT На рис. 7 показаны максимальные глубины вне- дрения δmax имплантированного Al+ в зависимости от угла падения ионов на мишень. Наблюдается относительно небольшое (~ в 1,6 раза) уменьшение проникающей способности им- плантированного Al+ при увеличении угла падения α от 69,59 (при α=0°) и до 43,34 Å (при α=80°). Это может являться причиной относительного снижения требований в реальном эксперименте к угловой рас- ходимости потока ионов, падающих на поверхность изделия, что является важным фактором при обра- ботке поверхности изделий с достаточно сложной геометрией. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 S, к оэ фф иц ие нт о тр аж ен ия α, угол падения SPURT.MP+CALCMULT Al+->Cu, E=1 кэВ Рис. 6. Зависимость коэффициента отражения S ионов алюминия от их угла падения на медь, полу- ченная по программам SPURT.MP и CALCMULT 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 δ m ax , а нг ст ре м α, угол падения SPURT.MP+CALCMULT Al+->Cu, E=1 кэВ имплантированные ионы Al+ Рис. 7. Зависимость максимальной глубины проник- новения ионов алюминия от угла их падения на ми- шень при моделировании облучения мишени из меди ионами Al+ с энергией E=1,0 кэВ, полученная по про- граммам SPURT.MP и CALCMULT Таким образом, компьютерные расчеты по ис- следованию зависимости распределений импланти- рованного в медь Al+ от их угла падения на мишень, демонстрируют условия и параметры, при которых можно добиться требуемой концентрации вводимо- 36 го импланта на нужной глубине. И ее (концентра- цию) можно целенаправленно регулировать путем варьирования угла падения ионов пучка. 3.2. ПРОФИЛИ МЕЖУЗЕЛЬНЫХ АТОМОВ И ВАКАНСИЙ Предложенная в данной статье физическая мо- дель и методика моделирования, включающая со- вместное использование программных комплексов SPURT.MP и CALCMULT, позволяет получать и детально исследовать (в зависимости от угла паде- ния α ионов на мишень) следующие важные следст- вия ионного облучения: ― профили распределения собственных межу- зельных атомов мишени и вакансий; ― разностный спектр профилей распределения собственных межузельных атомов и вакансий; ― количественные характеристики обедненных зон, образующихся в результате развития каскадов ионно-атомных и атом-атомных столкновений. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Gint(x), A-1 x, A SPURT.MP+CALCMULT Al+->Cu, E=1 кэВ профили распределения междоузельных атомов α=800 α=600 α=400 α=200 α=00 Рис. 8. Профили распределения собственных межу- зельных атомов меди Gint(х) при облучении медной мишени ионами Al+ с энергией E=1,0 кэВ при раз- личных углах падения ионов (α=0…80°), полученные по программам SPURT.MP и CALCMULT 0 10 20 30 40 50 60 70 0,0 0,5 1,0 1,5 Gv(x), A-1 x, A SPURT.MP+CALCMULT AL+->Cu, E=1 кэВ профили распределения вакансий α=800 α=600 α=400 α=200 α=00 Рис. 9. Профили распределения вакансий Gv(х) при облучении медной мишени ионами Al+ с энергией E=1,0 кэВ при различных углах падения ионов (α=0…80°), полученные по программам SPURT.MP и CALCMULT На рис. 8 показаны профили распределения соб- ственных межузельных атомов Cu, а на рис. 9 – профили распределения вакансий при различных углах падения α ионов Al+, бомбардирующих ми- шень из меди с энергией 1,0 кэВ. Видно, что с увеличением угла облучения α ми- шени в целом наблюдается тенденция к уменьше- нию значений профилей распределения как по кон- центрации дефектов на заданной глубине, так и по глубине проникновения точечных дефектов в глубь мишени. Следует лишь отметить, что максимальное значение концентрации собственных межузельных атомов, при исследованных углах падения, Gmax int(x)=0,744 отн.ед. достигается при α=200 на глубине ~ 9,4 Å. В то же время максимальные зна- чения концентраций вакансий в исследованном диа- пазоне углов достигаются при двух углах облучения мишени: Gmax v(x)=1,29 отн.ед. при α=200 (на глубине ~ 4,57 Å) и Gmax v(x)=1,4 отн.ед. при α=40° (на глуби- не ~3,5 Å). Максимальная глубина δmax, где еще можно «наблюдать» вакансии и собственные межу- зельные атомы, т.е. глубина модифицированного слоя, достигается при нормальном (α=0°) падении ионов на мишень. В рамках данных исследований, в случае α=00, величина δmax составляет 74,85 Å − для собственных межузельных атомов и 72,74 Å − для вакансий (рис. 10). 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 δ m ax , а нг ст ре м α, угол падения SPURT.MP+CALCMULT Al+->Cu, E=1 кэВ междоузельные атомы вакансии Рис. 10. Зависимость максимальных глубин залега- ния собственных межузельных атомов Cu и вакан- сий от угла падения ионов Al+ на мишень, получен- ная по программам SPURT.MP и CALCMULT 0 10 20 30 40 50 60 70 80 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 Gvi(x), A-1 x, A SPURT.MP+CALCMULT AL+->Cu, E=1 кэВ разностный профиль вакансий и междоузельных атомов α=800 α=600 α=400 α=200 α=00 Рис.11. Распределение разностного профиля Gvi(х) вакансий и межузельных атомов при облучении ме- ди ионами Al+ с энергией E=1,0 кэВ при различных углах падения ионов (α=0…80°) 37 Рис. 11 демонстрирует разностные профили (при различных углах облучения мишени α) распределе- ния вакансий и собственных межузельных атомов Gvi(x)=Gv(x)-Gi(x) в случае прохождения ионов Al+ с энергией 1 кэВ внутри медной мишени. Детальный анализ последнего графика позволяет увидеть, а также качественно и количественно опи- сать следующую закономерность: распределение точечных дефектов Gvi(х) по глубине мишени имеет две ярко выраженные различные области поврежде- ния (см. увеличенный масштаб на рис. 12): вблизи поверхности мишени Gvi<0, что связано с обогаще- нием поверхностных слоев вакансиями за счет ак- тивно идущих процессов распыления, а также пря- мого выбивания атомов в более глубокие слои ми- шени; в более глубоких слоях мишени (начиная с х=10,39 Å для α=80° и заканчивая х=21,53 Å для α=0°) Gvi>0, что указывает на преимущественное залегание в этой области собственных межузельных атомов меди. 5 10 15 20 25 30 35 -0.250 -0.125 0.000 0.125 0.250 0.375 Gvi(x), A-1 x, A SPURT.MP+CALCMULT AL+->Cu, E=1 кэВ разностный профиль вакансий и междоузельных атомов α=800 α=600 α=400 α=200 α=00 Рис. 12. Фрагмент из распределения разностного профиля Gvi(х) вакансий и собственных межузель- ных атомов Из рис. 12 видно, что с уменьшением угла α (от α1=800 до α5=0°) увеличивается величина обеднен- ной зоны λmax. λmax соответствует глубине от по- верхности мишени, после прохождения которой в поврежденной области преобладают собственные межузельные атомы меди в сравнении с вакансиями (табл. 3). Таблица 3 Зависимость λmax от угла падения ионов Al+ на мишень Cu α 800 600 400 200 00 λmax, Å 10,39 14,13 16,79 18,66 21,53 4. ВЫВОДЫ С использованием программ SPURT.MP и CALCMULT сгенерированы и исследованы профи- ли распределения имплантированных ионов и про- фили распределения вакансий и собственных межу- зельных атомов, создаваемых в Cu при облучении ионами Al+ с энергией 1 кэВ, в зависимости от угла падения падающих ионов в интервале углов 0…80°. Результаты расчетов для имплантированных ио- нов сопоставлены с экспериментальными данными при угле падения ионов алюминия на мишень α=00. Показано качественное совпадение рассчитанных по программам SPURT.MP и CALCMULT данных с результатами эксперимента. Результаты моделирования по расчету первона- чальных (в отсутствие процессов диффузии) рас- пределений имплантированных ионов алюминия Gimp(х) и вакансий Gv(х), полученных по програм- мам SPURT.MP, CALCMULT, хорошо коррелируют с аналогичными профилями, полученными с ис- пользованием программного кода SRIM2006. Показано, что при ионной обработке поверхно- сти меди (при заданной энергии ионов Е=1 кэВ) оп- тимальное значение угла облучения мишени, при котором достигается максимальная концентрация имплантированных ионов алюминия, соответствует α=100, и эта концентрация находится на глубине 11,01 Å от поверхности. Кроме того, в рассмотрен- ном угловом диапазоне наблюдается относительно небольшое (~ в 1,6 раза) изменение проникающей способности имплантированного Al+ при изменении угла падения α. Это снижает требования к угловой расходимости потока ионов и является важным фак- тором при обработке поверхности изделий со слож- ной геометрией. Установлено, что максимальное значение кон- центрации собственных межузельных атомов при исследованных углах падения достигается в случае α=20° на глубине ~9,4 Å. В то же время максималь- ные значения концентраций вакансий достигаются при двух углах облучения мишени: 1) α=20° (на глубине ~4,57 Å) и 2) при α=40° (на глубине ~3,5 Å). Максимальная глубина δmax модифицированного слоя достигается при нормальном (α=00) падении ионов на мишень и составляет ~75 Å. Установлено, что начальные разностные профи- ли распределения вакансий и собственных межу- зельных атомов Gvi(x) обнаруживают две выражен- ные области: вблизи поверхности мишени Gvi(х)<0, что связано с обогащением приповерхностного слоя радиационными вакансиями, возникающими за счет процессов распыления и прямого выбивания атомов в глубь мишени; в объеме мишени Gvi(х)>0, что ука- зывает на преимущественное залегание в этой об- ласти межузельных атомов мишени. Показанo, что с увеличением угла α от 0 до 800 уменьшается величина обедненной зоны λmax: от λmax=21,53 Å для α=0° и до λmax=10,39 Å для α=80°. ЛИТЕРАТУРА 1. А.Н. Диденко, А.Е. Лигачев, И.Б. Куракин. Воздействие пучков заряженных частиц на поверх- ность металлов и сплавов. М: «Энергоатомиздат», 1987, 184 с. 2. A.S. Bakai, A.I. Zhukov, S.N. Sleptsov. Densifi- cation of growing coatings by ion beams // J.Phys.: Condens.Matter. 1999, v.11, p. 5681–5689. 3. А.И. Калиниченко, С.С. Перепелкин, В.Е. Стрельницкий. Формирование напряжений сжатия в тонких пленках при ионном облучении // 38 Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное мате- риаловедение». 2007, №6, с. 116–119. 4. И.Г. Марченко, В.И. Павленко. Программа SPURT.MP: моделирование процессов взаимодейст- вия ионов с многокомпонентной мишенью: Пре- принт ХФТИ 2006-3. Харьков: ННЦ ХФТИ, 2006, 36 с. 5. В.И. Павленко, С.Н. Слепцов, В.И. Сафонов. Компьютерное моделирование и эксперименталь- ные исследования процессов первичного дефектооб- разования материалов мишени при низкотемпера- турном ионном воздействии на поверхность: Пре- принт ХФТИ 2008-1. Харьков: ННЦ ХФТИ, 2008, 21 с. 6. W. Eckstein, J.P. Biersack. Sputtering studies with the Monte Carlo program TRIM.SP // Appl.Physics. 1984, v. A 34, p. 73–94. 7. Распыление твердых тел ионной бомбарди- ровкой. / Под ред. Бериша Р. М.: «Мир», 1986, в. II, 484 с. 8. http://www.srim.org/ 9. V.I. Safonov, I.G. Marchenko, G.N. Kartmazov, et al. High dose low temperature Ti and Al implantation in metals // Surf. and Coatings Technology. 2003, v. 173-174, p. 1260–1263. Статья поступила в редакцию 10.09.2008 г. ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ЗАЛЕЖНОСТІ ПРОФІЛІВ ПЕРВИННОГО ДЕФЕКТОУТВОРЮВАННЯ ВІД КУТА ПАДІННЯ ІОНІВ ПРИ НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНОМУ ОПРОМІНЕННІ ПОВЕРХНІ МІДІ ІОНАМИ Al+ В.І. Павленко, С.М. Слєпцов, В.Й. Сафонов Методом математичного моделювання, з використанням програмних комплексів SPURT.MP й CALCMULT, дослі- джена еволюція просторового розподілу імплантованих іонів і радіаційних крапкових дефектів по глибині Cu-мішені при опроміненні останньої іонами Al+ з різними кутами падіння. Енергія іонів Al+ обрана рівній величині 1 кэВ, кут падіння змінювався в інтервалі від 0 до 80°. Проведено порівняння розрахункових профілів з результатами моделювання по програмі SRIM2006 і з експериментальними даними. Установлено кореляцію зміни профілів розподілу крапкових дефектів й імплантованих часток по глибині мішені залежно від кута падіння іонів. Залежно від кута падіння іонів ви- значені максимальні глибини й максимуми профілів залягання імплантованих іонів, міжвузельних атомів і вакансій. Дано якісний і кількісний аналізи приповерхніх збіднених зон, що утворюються в результаті розвитку каскадів зсувів у мішені. Показано, що для різних кутів падіння іонів на поверхню мішені існують певні значення кутів, при яких досяга- ється максимальна концентрація імплантованих іонів й інших крапкових дефектів в опромінюючому матеріалі, що до- зволяє ефективно проводити процес формування поверхневих шарів матеріалу з наперед заданими властивостями. EFFECT OF ION BOMBARDMENT ANGLE ON EVOLUTION OF POINT DEFECTS DISTRI- BUTION IN COPPER AT LOW TEMPERATURE IRRADIATION BY Al+ IONS. COMPUTER SIMULATION V.I. Pavlenko, S.N. Slyeptsov, V.I. Safonov An evolution of the implanted ions and radiation point defects distributions in the Cu target, which is maintained at low tem- perature and irradiated by the Al+ ions at the various bombardment angles, was investigated by computer simulation using the SPURT.MP and CALCMULT codes. The energy of Al+ ions was 1 keV and the ion bombardment angle was varied in the range from 0 to 80°. The correlation of the implanted ions and point defects depending profiles modification on the ion bombardment angle was established. The maximum depth and distribution peak of the implanted ions, vacancies and interstitials in the copper target were determined for the different angles. Good agreements were found between the simulated data and both experimental data and computer results, which were obtained by the SRIM2006 code. It is shown that there is an optimal range of the ion bombardment angles, which provides the maximum concentration of the implanted ions and radiation point defects near the irra- diated target surface. It is expected that the obtained results allow optimizing the ion bombardment parameters to obtain the modified target layers with the given properties.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-111119
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-6016
language Russian
last_indexed 2025-11-24T04:13:35Z
publishDate 2009
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format dspace
spelling Павленко, В.И.
Слепцов, С.Н.
Сафонов, В.И.
2017-01-08T10:47:59Z
2017-01-08T10:47:59Z
2009
Исследование методом математического моделирования зависимости профилей первичного дефектообразования от угла падения ионов при низкотемпературном облучении поверхности меди ионами Al⁺ / В.И. Павленко, С.Н. Слепцов, В.И. Сафонов // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 2. — С. 31-48. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
1562-6016
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111119
539.534.9:523.23
Методом математического моделирования, с использованием программных комплексов SPURT.MP и CALCMULT, исследована эволюция пространственного распределения имплантированных ионов и радиационных точечных дефектов по глубине Cu-мишени при облучении последней ионами Al+ с различными углами падения. Энергия ионов Al+ выбрана равной величине 1 кэВ, угол падения изменялся в интервале от 0 до 80°. Проведено сравнение расчетных профилей с результатами моделирования по программе SRIM2006 и с экспериментальными данными. Установлена корреляция изменения профилей распределения точечных дефектов и имплантированных частиц по глубине мишени в зависимости от угла падения ионов. В зависимости от угла падения ионов определены максимальные глубины и максимумы профилей залегания имплантированных ионов, межузельных атомов и вакансий. Даны качественный и количественный анализы приповерхностных обедненных зон, образующихся в результате развития каскадов смещений в мишени. Показано, что для различных углов падения ионов на поверхность мишени существуют определенные значения углов, при которых достигается максимальная концентрация имплантированных ионов и других точечных дефектов в облучаемом материале, что позволяет эффективно проводить процесс формирования поверхностных слоев материала с наперед заданными свойствами
Методом математичного моделювання, з використанням програмних комплексів SPURT.MP й CALCMULT, досліджена еволюція просторового розподілу імплантованих іонів і радіаційних крапкових дефектів по глибині Cu-мішені при опроміненні останньої іонами Al+ з різними кутами падіння. Енергія іонів Al+ обрана рівній величині 1 кэВ, кут падіння змінювався в інтервалі від 0 до 80°. Проведено порівняння розрахункових профілів з результатами моделювання по програмі SRIM2006 і з експериментальними даними. Установлено кореляцію зміни профілів розподілу крапкових дефектів й імплантованих часток по глибині мішені залежно від кута падіння іонів. Залежно від кута падіння іонів визначені максимальні глибини й максимуми профілів залягання імплантованих іонів, міжвузельних атомів і вакансій. Дано якісний і кількісний аналізи приповерхніх збіднених зон, що утворюються в результаті розвитку каскадів зсувів у мішені. Показано, що для різних кутів падіння іонів на поверхню мішені існують певні значення кутів, при яких досягається максимальна концентрація імплантованих іонів й інших крапкових дефектів в опромінюючому матеріалі, що дозволяє ефективно проводити процес формування поверхневих шарів матеріалу з наперед заданими властивостями.
An evolution of the implanted ions and radiation point defects distributions in the Cu target, which is maintained at low temperature and irradiated by the Al+ ions at the various bombardment angles, was investigated by computer simulation using the SPURT.MP and CALCMULT codes. The energy of Al+ ions was 1 keV and the ion bombardment angle was varied in the range from 0 to 80°. The correlation of the implanted ions and point defects depending profiles modification on the ion bombardment angle was established. The maximum depth and distribution peak of the implanted ions, vacancies and interstitials in the copper target were determined for the different angles. Good agreements were found between the simulated data and both experimental data and computer results, which were obtained by the SRIM2006 code. It is shown that there is an optimal range of the ion bombardment angles, which provides the maximum concentration of the implanted ions and radiation point defects near the irradiated target surface. It is expected that the obtained results allow optimizing the ion bombardment parameters to obtain the modified target layers with the given properties.
ru
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Вопросы атомной науки и техники
Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
Исследование методом математического моделирования зависимости профилей первичного дефектообразования от угла падения ионов при низкотемпературном облучении поверхности меди ионами Al⁺
Дослідження методом математичного моделювання залежності профілів первинного дефектоутворювання від кута падіння іонів при низькотемпературному опроміненні поверхні міді іонами Al⁺
Effect of ion bombardment angle on evolution of point defects distribution in copper at low temperature irradiation by Al⁺ ions. Computer simulation
Article
published earlier
spellingShingle Исследование методом математического моделирования зависимости профилей первичного дефектообразования от угла падения ионов при низкотемпературном облучении поверхности меди ионами Al⁺
Павленко, В.И.
Слепцов, С.Н.
Сафонов, В.И.
Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
title Исследование методом математического моделирования зависимости профилей первичного дефектообразования от угла падения ионов при низкотемпературном облучении поверхности меди ионами Al⁺
title_alt Дослідження методом математичного моделювання залежності профілів первинного дефектоутворювання від кута падіння іонів при низькотемпературному опроміненні поверхні міді іонами Al⁺
Effect of ion bombardment angle on evolution of point defects distribution in copper at low temperature irradiation by Al⁺ ions. Computer simulation
title_full Исследование методом математического моделирования зависимости профилей первичного дефектообразования от угла падения ионов при низкотемпературном облучении поверхности меди ионами Al⁺
title_fullStr Исследование методом математического моделирования зависимости профилей первичного дефектообразования от угла падения ионов при низкотемпературном облучении поверхности меди ионами Al⁺
title_full_unstemmed Исследование методом математического моделирования зависимости профилей первичного дефектообразования от угла падения ионов при низкотемпературном облучении поверхности меди ионами Al⁺
title_short Исследование методом математического моделирования зависимости профилей первичного дефектообразования от угла падения ионов при низкотемпературном облучении поверхности меди ионами Al⁺
title_sort исследование методом математического моделирования зависимости профилей первичного дефектообразования от угла падения ионов при низкотемпературном облучении поверхности меди ионами al⁺
topic Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
topic_facet Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111119
work_keys_str_mv AT pavlenkovi issledovaniemetodommatematičeskogomodelirovaniâzavisimostiprofileipervičnogodefektoobrazovaniâotuglapadeniâionovprinizkotemperaturnomoblučeniipoverhnostimediionamial
AT slepcovsn issledovaniemetodommatematičeskogomodelirovaniâzavisimostiprofileipervičnogodefektoobrazovaniâotuglapadeniâionovprinizkotemperaturnomoblučeniipoverhnostimediionamial
AT safonovvi issledovaniemetodommatematičeskogomodelirovaniâzavisimostiprofileipervičnogodefektoobrazovaniâotuglapadeniâionovprinizkotemperaturnomoblučeniipoverhnostimediionamial
AT pavlenkovi doslídžennâmetodommatematičnogomodelûvannâzaležnostíprofílívpervinnogodefektoutvorûvannâvídkutapadínnâíonívprinizʹkotemperaturnomuopromínennípoverhnímídííonamial
AT slepcovsn doslídžennâmetodommatematičnogomodelûvannâzaležnostíprofílívpervinnogodefektoutvorûvannâvídkutapadínnâíonívprinizʹkotemperaturnomuopromínennípoverhnímídííonamial
AT safonovvi doslídžennâmetodommatematičnogomodelûvannâzaležnostíprofílívpervinnogodefektoutvorûvannâvídkutapadínnâíonívprinizʹkotemperaturnomuopromínennípoverhnímídííonamial
AT pavlenkovi effectofionbombardmentangleonevolutionofpointdefectsdistributionincopperatlowtemperatureirradiationbyalionscomputersimulation
AT slepcovsn effectofionbombardmentangleonevolutionofpointdefectsdistributionincopperatlowtemperatureirradiationbyalionscomputersimulation
AT safonovvi effectofionbombardmentangleonevolutionofpointdefectsdistributionincopperatlowtemperatureirradiationbyalionscomputersimulation