Моделювання радiацiйних та релаксацiйних процесiв в iмплантованих iонами кисню плiвках залiзоiтрiєвого гранату
The mechanisms of the formation of defects in superficial layers of epitaxial yttrium iron garnet films during the implantation by oxygen ions (E = 90 keV) are investigated by mathematical modeling methods. Secondary implantation processes and the evolution of the cascade collisions of target atoms...
Збережено в:
| Дата: | 2008 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5732 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Моделювання радiацiйних та релаксацiйних процесiв в iмплантованих iонами кисню плiвках залiзоiтрiєвого гранату / Б.К. Остафiйчук, В.М. Ткачук, О.М. Ткачук, В.М. Пилипiв, О.О. Григорук // Доп. НАН України. — 2008. — № 7. — С. 82-85. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860236566622896128 |
|---|---|
| author | Остафійчук, Б.К. Ткачук, В.М. Ткачук, О.М. Пилипiв, В.М. Григорук, О.О. |
| author_facet | Остафійчук, Б.К. Ткачук, В.М. Ткачук, О.М. Пилипiв, В.М. Григорук, О.О. |
| citation_txt | Моделювання радiацiйних та релаксацiйних процесiв в iмплантованих iонами кисню плiвках залiзоiтрiєвого гранату / Б.К. Остафiйчук, В.М. Ткачук, О.М. Ткачук, В.М. Пилипiв, О.О. Григорук // Доп. НАН України. — 2008. — № 7. — С. 82-85. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| description | The mechanisms of the formation of defects in superficial layers of epitaxial yttrium iron garnet films during the implantation by oxygen ions (E = 90 keV) are investigated by mathematical modeling methods. Secondary implantation processes and the evolution of the cascade collisions of target atoms up to a thermodynamical equilibrium state are studied.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:24:53Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
7 • 2008
ФIЗИКА
УДК 548.73/.75+621.315.592
© 2008
Член-кореспондент НАН України Б. К. Остафiйчук, В.М. Ткачук,
О.М. Ткачук, В.М. Пилипiв, О. О. Григорук
Моделювання радiацiйних та релаксацiйних процесiв
в iмплантованих iонами кисню плiвках залiзоiтрiєвого
гранату
The mechanisms of the formation of defects in superficial layers of epitaxial yttrium iron garnet
films during the implantation by oxygen ions (E = 90 keV) are investigated by mathematical
modeling methods. Secondary implantation processes and the evolution of the cascade collisions
of target atoms up to a thermodynamical equilibrium state are studied.
Процеси, iндукованi iонною iмплантацiєю в кристалiчнi багатокомпонентнi мiшенi, є склад-
ними як для експериментального вивчення, так i для модельного дослiдження. Їх нерiвно-
важний характер на етапi розвитку та формування каскаду атомних зiткнень (КАЗ) зумов-
лює значнi труднощi для опису фiзико-хiмiчних явищ у приповерхневих шарах, таких як
вториннi iмплантацiйнi процеси розпилення, змiщення iонiв матрицi, розподiл iмплантова-
ної домiшки, дефектоутворення та фазовi перетворення [1].
Експериментальнi дослiдження таких явищ є малоефективними, оскiльки фiксується
тiльки кiнцевий результат пiсля проходження бiльшостi релаксацiйних процесiв в iмплан-
тованiй зонi. Метастабiльнiсть, “псевдоаморфнiсть” стану модифiкованої iонною iмпланта-
цiєю приповерхневої дiлянки зумовлює протiкання тут релаксацiйних процесiв навiть при
кiмнатнiй температурi протягом промiжкiв часу, що вимiрюються мiсяцями [2].
Показовими i, до певної мiри, модельними для розгляду багатокомпонентними мiше-
нями можуть бути монокристалiчнi гранатовi структури номiнального складу Y3Fe5O12.
Чутливiсть експериментальних методiв, таких як конверсiйна електронна месбауерiвська
(КЕМ) спектроскопiя та рентгеноструктурнi дослiдження, дає можливiсть отримувати де-
тальну iнформацiю про кристалiчну та магнiтну мiкроструктуру iмплантованих шарiв [3].
Входження до складу матрицi елементiв зi значною рiзницею за атомною масою дозволяє
вибором типу iмплантованого iона iнiцiювати та оцiнювати тi чи iншi механiзми розвитку
iмплантацiйного каскаду i, як наслiдок, постiмплантацiйних релаксацiйних процесiв. Поєд-
нання модельних розрахункiв та експериментальних дослiджень дає можливiсть проконт-
ролювати правильнiсть закладених в комп’ютерну модель пiдходiв.
82 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №7
Для вивчення розподiлу iмплантованої домiшки за глибиною поверхневого шару (якщо
дефектами кристалiчної структури можна знехтувати) традицiйно використовується метод
Монте-Карло. Наближенi пiдходи врахування вторинних ефектiв перерозподiлу компонент
мiшенi та густини видiленої у кристалiчну структуру мiшенi енергiї iмплантованого iона
дозволяють оцiнити можливiсть виникнення колективних ефектiв перебудови кристалiчної
структури [4]. Метод є принципово неприйнятним, коли мова йде про постiмплантацiйнi
релаксацiйнi процеси, рiвень дефектностi iмплантованої кристалiчної структури або її ме-
тастабiльний стан [1, 3].
Поява потужних комп’ютерних систем дала можливiсть реалiзувати моделювання ме-
тодом молекулярної динамiки iмплантацiйних процесiв [6], особливо в низькоенергетичнiй
дiлянцi. Практично розвиток КАЗ в цiлому можна розглядати за допомогою методу Мон-
те-Карло, а релаксацiйнi процеси в окремих дiлянках — методами молекулярної динамiки
для коректного опису рекомбiнацiйно-рекристалiзацiйних ефектiв.
В роботi методом модельних дослiджень вивчалися процеси дефектоутворення в моно-
кристалi залiзоiтрiєвого граната при бомбардуваннi iонами кисню з енергiєю 90 кеВ без
врахування впливу поверхнi. Основна увага придiлялася вивченню вторинних iмпланта-
цiйних процесiв (якi є визначальними у формуваннi всього каскаду атомних зiткнень) за
участю основних компонент мiшенi (кисню, залiза, iтрiю). Для моделювання використову-
валася гранатова структура Y3Fe5O12 iз 100000 атомiв (625 елементарних комiрок, стала
гратки 12,32 Å) з перiодичними граничними умовами на бокових гранях.
Взаємодiя мiж атомами кластера описувалася з використанням потенцiалу парної атом-
атомної (Бекiнгема) взаємодiї у виглядi
V (r) = Ae−r/ρ −
C
r6
. (1)
Для моделювання використано запропонованi в [7] параметри потенцiалу A, ρ, C. Рiв-
няння руху атомiв системи розв’язувалися з використанням алгоритму Варлета з часовим
кроком у межах 1 фс. Для вибраних компонент мiшенi було виконано по 100 розрахункiв
КАЗ, кожен iз яких вiдслiдковувався до встановлення в ньому термодинамiчної рiвноваги
протягом 5–10 пс.
Основнi модельнi та експериментальнi результати. Як видно iз результатiв моле-
кулярно-динамiчного моделювання, каскад атомних зiткнень при iмплантацiї кисню скла-
дається, в основному, iз точкових радiацiйних дефектiв (рис. 1). На КАЗ завжди можна
видiлити ряд дiлянок, де густина енерговидiлення в атомну систему мiшенi перебуває на
рiвнi формування ефекту теплового пiка.
Моделювання постiмплантацiйних процесiв в таких дiлянках показало, що в 90–95%
випадкiв час їх iснування є недостатнiм для значного змiщення атомiв мiшенi зi своїх поло-
жень рiвноваги та формування аморфної структури. Результати моделювання вказують та-
кож на те, що визначальними тут є не тепловi процеси, а ефекти кiнетичного перерозподiлу
атомiв мiшенi пiд дiєю первинних та вторинних iмплантацiйних процесiв. У сформованiй
при цьому дiлянцi кристалiчної структури видiляється центральна зона, збiднена кисне-
вими атомами, яка перебуває пiд дiєю стискаючих напруг оточуючого середовища i являє
собою елiпсоїд обертання з пiвосями у спiввiдношеннi 1 : 2 та розмiрами в межах 1–5 об’ємiв
елементарної комiрки. З урахуванням геометрiї процесу iонної iмплантацiї переважаючою
є просторова орiєнтацiя бiльшої пiвосi елiпсоїда вiд поверхнi в глибину вздовж напряму
〈111〉 в кристалiчнiй структурi. Вiдповiдним є i просторовий розподiл напруг в таких дi-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №7 83
Рис. 1. Каскад атомних зiткнень, викликаний входженням iона O
+ iз енергiєю 90 кеВ в Y3Fe5O12
Рис. 2. Дозова змiна ширини парцiальних лiнiй КЕМ спектра Y3Fe5O12, iмплантованого iонами кисню
лянках: з боку поверхнi вони нульовi або навiть розтягуючi, вiд’ємнi, а з боку об’єму —
максимально стискаючi iз величиною до △a/a ∼ 10%. Магнiтне впорядкування таких обла-
стей з урахуванням рiвня їх дефектностi за анiонною пiдграткою та змiна геометрiї i вiд-
станi надобмiнних взаємодiй вказують на те, що в межах 10–30% вони вже при кiмнатнiй
температурi перебувають в парамагнiтному станi.
Результати моделювання корелюють iз даними експериментальних дослiджень КЕМ
спектроскопiї. Так, на рис. 2, 3 зображена дозова поведiнка основних параметрiв експери-
ментальних КЕМ спектрiв. На початкових етапах набору дози визначальними є два взає-
модоповнюючих процеси: з одного боку, це утворення точкових дефектiв, якi визначають
зростання ширин лiнiй КЕМ спектрiв за рахунок спотворення локального оточення резо-
нансного атома, а з другого боку, це формування парамагнiтних мiкродiлянок i зростання
парамагнiтної фази (див. рис. 3). Важливим є той момент, що, як випливає з результатiв
моделювання, парамагнiтний стан та об’єм таких мiкродiлянок є чутливими до пружної
деформацiї кристалiчної гратки. Так, деформацiя гратки порядку △a/a ∼ 5–7% веде до
рiзкого зростання як iмовiрностi утворення парамагнiтних мiкродiлянок (в два — три ра-
зи), так i їх лiнiйних розмiрiв (див. рис. 3).
84 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №7
Рис. 3. Вiдносна iнтенсивнiсть парамагнiтної фази КЕМ спектра Y3Fe5O12, iмплантованого iонами кисню
Саме цi фактори пояснюють рiзке зростання ефективностi процесiв переходу кристалiч-
ної структури в парамагнiтний стан при досягненнi доз 1 · 1014 ÷ 4 · 1014 iон/см2. Величина
дози 4 · 1014 iон/см2 вважається критичною i вiдповiдальною за те, що практично вся iм-
плантована зона вiд поверхнi вглиб кристалу (за даними експериментальних КЕМ-спектрiв)
переходить до парамагнiтного стану. Згiдно з рентгеноструктурними дослiдженнями [3],
саме при цих дозах загальний рiвень деформацiї приповерхневих шарiв досягає величин,
достатнiх для змiни механiзмiв руйнування магнiтного впорядкування: iнтенсивнi процеси
формування точкових радiацiйних дефектiв стають другорядними порiвняно з об’ємними
радiацiйними процесами в пружно-деформованому iмплантованому шарi. Процеси дефе-
ктоутворення в межах окремих мiкродiлянок пiд впливом пружно-деформованого стану
iнтенсифiкуються не тiльки в межах КАЗ, але i по всьому iонно-iмплантованому шарi.
1. Ионная имплантация и лучевая технология/ Под. ред. Дж.С. Вильямса, Дж.М. Поута. – Киев: Наук.
думка, 1988. – 360 с.
2. Мокляк В. В. Особливостi кристалiчної та магнiтної мiкроструктури LаGа-замiщених епiтаксiйних
плiвок залiзоiтрiєвого гранату / Автореф. дис. канд. фiз.-мат. наук. – Iвано-Франкiвськ, 2007. – 17 с.
3. Остафийчук Б.К., Олейник В.А., Пылыпив В.М. и др. Кристаллическая и магнитная структура
имплантированных слоев монокристаллических пленок железоиттриевого граната. – Киев, 1991. –
70 с. (Препринт / АН УССР, Ин-т металлофизики.)
4. Остафийчук Б.К., Ткачук В.М., Ворончак О.М., Яворский Б.И. О возможном механизме аморфи-
зации поверхности феррит-гранатовых пленок вследствие ионной имплантации/ Металлофизика и
новейшие технологии. – 1994. – 16. – С. 51–54.
5. Оболенский С.В. Структура кластера радиационных дефектов при нейтронном облучении полупро-
водников / Тр. 2-го совещания по проекту НАТО STP – 973799 Semiconductors. – Нижний Новгород,
2002. – С. 155–164.
6. Корнич Г. В., Бетц Г., Бажин А.И. Молекулярно-динамическое моделирование образования дефе-
ктов в кристалле алюминия при бомбардировке ионами низких энергий // Физика тверд. тела. –
2001. – 43, вып. 1. – С. 30–34.
7. Donnerberg H., Catlow C. RA. Atomistic computer simulation of yttrium iron garnet (YIG) as an approach
to materials defect chemistry: I. Intristic defects // J. Phys.: Condens. Matter. – 1993. – 5. – P. 2947–2960.
Надiйшло до редакцiї 27.11.2007Прикарпатський нацiональний унiверситет
iм. Василя Стефаника, Iвано-Франкiвськ
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №7 85
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-5732 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:24:53Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Остафійчук, Б.К. Ткачук, В.М. Ткачук, О.М. Пилипiв, В.М. Григорук, О.О. 2010-02-04T10:22:02Z 2010-02-04T10:22:02Z 2008 Моделювання радiацiйних та релаксацiйних процесiв в iмплантованих iонами кисню плiвках залiзоiтрiєвого гранату / Б.К. Остафiйчук, В.М. Ткачук, О.М. Ткачук, В.М. Пилипiв, О.О. Григорук // Доп. НАН України. — 2008. — № 7. — С. 82-85. — Бібліогр.: 7 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5732 548.73/.75+621.315.592 The mechanisms of the formation of defects in superficial layers of epitaxial yttrium iron garnet films during the implantation by oxygen ions (E = 90 keV) are investigated by mathematical modeling methods. Secondary implantation processes and the evolution of the cascade collisions of target atoms up to a thermodynamical equilibrium state are studied. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Фізика Моделювання радiацiйних та релаксацiйних процесiв в iмплантованих iонами кисню плiвках залiзоiтрiєвого гранату Article published earlier |
| spellingShingle | Моделювання радiацiйних та релаксацiйних процесiв в iмплантованих iонами кисню плiвках залiзоiтрiєвого гранату Остафійчук, Б.К. Ткачук, В.М. Ткачук, О.М. Пилипiв, В.М. Григорук, О.О. Фізика |
| title | Моделювання радiацiйних та релаксацiйних процесiв в iмплантованих iонами кисню плiвках залiзоiтрiєвого гранату |
| title_full | Моделювання радiацiйних та релаксацiйних процесiв в iмплантованих iонами кисню плiвках залiзоiтрiєвого гранату |
| title_fullStr | Моделювання радiацiйних та релаксацiйних процесiв в iмплантованих iонами кисню плiвках залiзоiтрiєвого гранату |
| title_full_unstemmed | Моделювання радiацiйних та релаксацiйних процесiв в iмплантованих iонами кисню плiвках залiзоiтрiєвого гранату |
| title_short | Моделювання радiацiйних та релаксацiйних процесiв в iмплантованих iонами кисню плiвках залiзоiтрiєвого гранату |
| title_sort | моделювання радiацiйних та релаксацiйних процесiв в iмплантованих iонами кисню плiвках залiзоiтрiєвого гранату |
| topic | Фізика |
| topic_facet | Фізика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5732 |
| work_keys_str_mv | AT ostafíičukbk modelûvannâradiaciinihtarelaksaciinihprocesivvimplantovanihionamikisnûplivkahzalizoitriêvogogranatu AT tkačukvm modelûvannâradiaciinihtarelaksaciinihprocesivvimplantovanihionamikisnûplivkahzalizoitriêvogogranatu AT tkačukom modelûvannâradiaciinihtarelaksaciinihprocesivvimplantovanihionamikisnûplivkahzalizoitriêvogogranatu AT pilipivvm modelûvannâradiaciinihtarelaksaciinihprocesivvimplantovanihionamikisnûplivkahzalizoitriêvogogranatu AT grigorukoo modelûvannâradiaciinihtarelaksaciinihprocesivvimplantovanihionamikisnûplivkahzalizoitriêvogogranatu |