ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, < 3, с. 27-33
УДК 539.8: 539.534.9: 533.924: 537.533
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПЫЛЕНИЯ НАНОКЛАСТЕРОВ ЗОЛОТА
ПРИ БОМБАРДИРОВКЕ ИОНАМИ Au C ЭНЕРГИЕЙ 38 кэВ МЕТОДОМ КЛАССИЧЕСКОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ
© 2008 г. Е. Е. Журкин
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург, Россия
Поступила в редакцию 14.07.2007 г.
В рамках метода классической молекулярной динамики проведено компьютерное моделирование взаимодействия ионов Au1 с энергией E = 38 кэВ с изолированными золотыми нанокластерами AuN сферической формы диаметром 2, 6 и 18 нм. Проведен анализ распределения поглощенной энергии е, приходящейся на один атом облучаемого нанокластера, и коэффициента распыления при различных соотношениях диаметра нанокластера D и среднего пробега налетающего иона Rp. Установлено, что при D < Rp наиболее вероятны малые значения поглощенной энергии (е emax = E/N), а при D > Rp в основном реализуются либо малые (е emax), либо максимально возможные значения (е ~ ~ emax). При D < Rp кластер может быть фрагментирован с вероятностью ~50%. Показано, что полный выход распыления слабо зависит от прицельного параметра удара. Впервые продемонстрировано, что с вероятностью ~6-13% облучаемый нанокластер может быть эжектирован как единое целое за счет прямого удара. Подобные события реализуются в тех случаях, когда налетающий ион вызывает вторичную эмиссию атомов кластера преимущественно по направлению к подложке, в результате чего нераспыленная часть кластера получает импульс в противоположном направлении. Данный "эффект отдачи" может быть одним из механизмов, обусловливающих десорбцию осажденных на поверхность нанокластеров при ионной (либо кластерной) бомбардировке.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в связи с развитием технологий получения наноматериалов возрос интерес к изучению явления распыления и десорбции металлических нанокластеров под воздействием бомбардировки пучками ускоренных ионов. С точки зрения фундаментальной науки несомненный интерес представляет изучение влияния конечного размера наночастицы, а также кривизны ее поверхности на те или иные особенности распыления и развития каскадов атомных соударений при различных условиях облучения. Однако понимание особенностей распыления наночастиц необходимо и в ряде практических приложений, например, в анализе нанодисперсных материалов и частиц аэрозолей методами вторично-ионной масс-спектрометрии [1-3], изучении влияния космических излучений на частицы межзвездной пыли [4] и в ряде других. Кроме того, особый интерес вызывает явление десорбции осажденных на подложку нанокластеров при облучении потоками ионов, поскольку данное явление может служить основой для создания нового поколения источников нанокластерных ионов [5].
В то же время, несмотря на то что имеется большое число работ по изучению распыления различных поликристаллических материалов, распыление наночастиц остается слабо изученным. К настоящему времени имеются лишь еди-
ничные работы, посвященные данному вопросу. Ввиду того что в эксперименте практически невозможно реализовать облучение "свободных" нанокластеров, на практике в качестве мишени используются кластеры, предварительно осажденные на подложку (в случае, если поверхностная плотность осажденных нанокластеров мала и они не перекрываются друг с другом, мишень называется нанодисперсной). Существует целый ряд работ, в которых экспериментально исследовалась ионная бомбардировка нанодисперсных мишеней, содержащих изолированные нанокла-стеры золота [5-10]. Наиболее интересным результатом данных работ оказалось явление десорбции нанокластеров, впервые обнаруженное экспериментально при облучении нанодисперсных мишеней осколками деления тяжелых ядер [6]. В данных экспериментах энергия частиц составляла величину свыше 10 МэВ, т.е. неупругие процессы торможения дают доминирующий вклад в наблюдаемые эффекты. Выход десорби-рованных нанокластеров (в пересчете на один налетающий ион) может достигать достаточно больших величин 10-500%. Адекватной модели, объясняющей десорбцию за счет неупругих процессов, предложено не было.
Недавно были проведены новые эксперименты, в которых условия облучения обеспечивали доминирующий вклад упругого торможения ионов. Так, в работе [11] изучалось распыление нанодисперс-
ных мишеней, содержащих осажденные на графитовую подложку нанокластеры золота с размерами 2-30 нм (средние значения диаметра составляли 6, 9 и 18 нм для трех различных мишеней). Бомбардировка мишеней проводилась пучком ионов Аи с энергией 38 кэВ, направленным под углом 45° к подложке (т.е. при таком режиме упругие потери энергии налетающего иона являются доминирующими). Было обнаружено, что происходит десорбирование нанокластеров Аид с подложки, при этом выход десорбции (в пересчете на один налетающий ион) составляет величину 1-5%. Полный выход распыления составил 20-450 атомов золота на один ион. Была отмечена тенденция к уменьшению выходов распыления и десорбции с ростом размера нанокластеров мишени. Отметим, что измеренные в [11] выходы частиц нормировались на вероятность прямого попадания иона в нанокластер.
Кроме того, опубликован ряд работ, где распыление нанокластеров (при доминировании процессов упругого торможения) изучалось с помощью численного моделирования. В работах [12, 13] методом молекулярной динамики изучалось распыление золотых кластеров диаметром 8-20 нм при бомбардировке ионами Аи с энергией 16 и 100 кэВ. Было отмечено, что когда пробег иона мал по сравнению с размером нанокластера (и, следовательно, вся энергия налетающего иона передается кластеру), коэффициент распыления оказывается выше, чем в случае плоской поверхности монокристалла. При этом была отмечена слабая зависимость коэффициента распыления от прицельного параметра удара.
В ряде работ изучалось явление десорбции кластера, осажденного на подложку. В [13] исследовалась десорбция нанокластера золота, находящегося на золотой подложке. Было показано, что если при попадании тяжелого иона на подложку вблизи кластера в области непосредственно под ним возникает тепловой пик, то при некоторых условиях интенсивный поток распыляемого вещества подложки может десорбировать осажденный кластер. Другой механизм десорбции был установлен в работах [14, 15], где исследовалась десорбция углеродного кластера, осажденного на графитовую подложку. Как было показано с помощью молекулярно-динамического моделирования, большой кластер-снаряд (например, фул-лерен) может вызвать акустическую волну с энергией, достаточной для того, чтобы удалить с поверхности молекулы и кластеры, которые были адсорбированы на подложке. Так, например, молекула С60 с энергией 4 кэВ может вызвать поверхностную ударную волну, достаточную для того, чтобы "сбросить" с поверхности адсорбированную молекулу С300, находящуюся на расстоянии 1 нм от точки удара. Данное явление получило название "эффект трамплина". Отме-
тим, что вышеупомянутые механизмы десорбции связаны с "непрямым ударом", когда налетающий снаряд внедряется в подложку, не задевая осажденного нанокластера. Возможность десорбции за счет "прямого удара", т.е. при непосредственном соударении налетающего снаряда и нанокластера, ранее вообще не рассматривалась.
В настоящей работе метод классической молекулярной динамики (МД) использовался с целью изучения особенностей распыления изолированной наночастицы Аид при прямом ударе ионами Аих, а также с целью исследования принципиальной возможности десорбции нанокластера при прямом ионном ударе в режиме доминирования упругих потерь энергии.
МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ
Численное моделирование проводилось в рамках метода классической молекулярной динамики [16-22]. Детали используемого метода приведены в работах [19-22], поэтому здесь лишь кратко укажем его основные особенности. При расчетах использовался многочастичный потенциал межатомного взаимодействия, базирующийся на приближении второго момента модели сильной связи и параметризованный согласно работе [23]. Отталкивающая часть данного потенциала плавно сопряжена с потенциалом [24] для того, чтобы обеспечить корректное описание близких соударений между атомами при высоких значениях энергии. В рамках данного исследования неупругие потери энергии не учитывались. В качестве снаряда использовался одноатомный ион Аих с начальной энергией Е = 38 кэВ. Мишенью служил свободный сферический кластер золота Аид (Д = 429, 6051 и 181 897). Моделирование выполнялось как последовательность независимых ударов снаряда в область кластера-мишени. Начальная точка каждого удара выбиралась случайным образом в пределах некоторой площади над поверхностью мишени так, чтобы в процессе бомбардировки полностью "покрыть" поперечное (по отношению к направлению удара) геометрическое сечение взаимодействия между снарядом и облучаемым нанокластером. Отметим, что при этом периферические столкновения (при больших значениях прицельного параметра удара Р являются более вероятными, чем центральные при малых Р.
Таким образом, при выбранной процедуре моделирования каждая частица-снаряд ударяет кластер-мишень с различными Р, что соответствует так называемым "прямым событиям". Для обеспечения приемлемой статистической точности было рассмотрено от 100 до 300 ударов в направлении, составляющим угол б = 45° по отношению к нормали условной "поверхности" подложки, с которой связана система отсчета. Начальная тем-
Таблица 1. Характеристики облучения нанокластеров Аид, ионами Аи с энергией Е = 38 кэВ: число атомов в кластере Д; диаметр кластера Б; отношение среднего проективного пробега иона к диаметру кластера в поликристаллическом золоте Б/Яр; максимально возможная поглощенная кластером энергия Е/Д (в пересчете на один атом); фактическая поглощенная кластером энергия е (в пересчете на один атом); максимальное значение £тах; среднее значение (е); относительная флуктуация 5е, где 5е = ое /(е), ое - стандартное отклонение величины е; вероятность того, что поглощенная энергия превышает величину энергии когезии Аи Р{е > ЕсоЬ}
Кластеры Аид Яр/Б Е/Д, эВ/ат
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.