ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2012, том 76, № 5, с. 589-592
УДК 620.193:6.533.924
МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКИ МЕЖСЛОЙНЫХ КЛАСТЕРОВ Cu13
В КРИСТАЛЛЕ ГРАФИТА © 2012 г. А. А. Ермоленко, Г. В. Корнич
Запорожский национальный технический университет, Украина E-mail: oleksandr.yermolenko@gmail.com
Исследуется процесс нормальной бомбардировки межслойных кластеров Cu13 в графите ионами аргона с энергией 100, 200 и 400 эВ при помощи молекулярно-динамического моделирования с использованием многочастичных потенциалов. Подсчитаны частоты образования фрагментов кластера различных размеров. Исследована динамика процесса бомбардировки. Найдены преимущественные направления перемещений атомов. Обсуждаются изменения в атомической структуре мишеней.
ВВЕДЕНИЕ
Механизмы распыления кластеров на поверхности твердых тел достаточно хорошо изучены, в частности с помощью молекулярно-динамиче-ского моделирования с использованием парных [1] и многочастичных потенциалов [1, 2]. Однако процессы бомбардировки межслойных структур, в том числе межслойных кластеров в графите, низкоэнергетическими ионами изучены недостаточно. При моделировании таких структур необходимо использовать дальнодействующие многочастичные потенциалы, способные описывать как связи внутри слоев атомов углерода в графите, так и взаимодействие между слоями атомов [2].
В последнее время возрос интерес к изучению межслоевых структур в графите, которые могут широко применяться в технологиях производства микроэлектронных приборов, в частности при изготовлении светодиодов, фотогальванических элементов и тонкопленочных транзисторов [3—5].
Графит успешно изучается с использованием методов моделирования Монте-Карло и молекулярной динамики [6—8].
Выполненные исследования посвящены мо-лекулярно-динамическому моделированию процесса нормальной бомбардировки межслойных кластеров Си13 в кристалле графита ионами Аг с энергией 100, 200 и 400 эВ с использованием многочастичных потенциалов для графита и меди.
МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Для моделирования процесса бомбардировки была выбрана мишень на основе кристалла а-гра-фита. Мишень содержала 9360 атомов углерода. Гексагональная элементарная ячейка кристалла а-гра-фита имела размеры 2.46 х 2.46 х 6.708 А и содержала четыре атома углерода. Ось с элементарной ячейки
была направлена вертикально. Размер кристалла составлял 26 х 30 х 3 элементарных ячеек. Вдоль боковых граней кристалла были применены периодические граничные условия [1, 9]. В модель кристалла также была добавлена диссипативная зона на основе термостата Берендсена (Berendsen) [9, 10] вдоль боковых граней толщиной 3 А и в нижней части области моделирования толщиной, достаточной для охвата двух слоев атомов углерода, атомы нижнего слоя при этом были зафиксированы.
Конфигурация кластера меди из 13 атомов между слоями кристалла графита была получена в два этапа. Первый этап состоял в получении конфигурации атомов свободного кластера. Затем кластер с полученной конфигурацией помещался между первым и вторым от поверхности слоями атомов в кристалле графита, что потребовало некоторой предварительной деформации этих слоев. В результате второго этапа релаксации получена конфигурация межслойного кластера Cu13, принявшего форму дополнительного монослоя из атомов меди в кристалле графита. Вид молекулярно-дина-мической ячейки сбоку показан на рис. 1.
Для описания взаимодействий между атомами углерода использован многочастичный дально-действующий потенциал AIREBO [11]. Взаимодействие между атомами меди описывалось многочастичным потенциалом на основе модели погруженного атома для меди [12], который был специально создан и успешно использован для описания распыления малых кластеров [12]. Между атомами меди на малых расстояниях действовал парный потенциал Борна—Майера (Born—Mayer) [1] для описания энергетических столкновений. Парный потенциал Леннард-Джонса (Lennard—Jones) использован для описания взаимодействий медь—водород и медь-углерод (параметризация взята из [13]). Потенциал Циглера-Бирзака-Литтмарка (Ziegler-Biersack-Littmark) [1] был использован для описания взаи-
Рис. 1. Вид молекулярно-динамической ячейки сбоку. Стрелка возле иона показывает направление бомбардировки. Область серого цвета соответствует дис-сипативной области. Атомы черного цвета внизу мишени являются зафиксированными.
модействия бомбардирующих ионов с атомами кластера и подложки. Для интегрирования уравнений движения использована схема Верле (Уег-1е1) [9] с адаптивным шагом по времени, который не превышал 0.5 фс. Бомбардировка проводилась ионами аргона с энергиями 100, 200 и 400 эВ. Для каждого значения энергии бомбардирующего иона было выполнено моделирование 150 одиночных актов нормальной бомбардировки. Бомбардировке подвергалась область мишени, расположенная непосредственно над кластером и вблизи него. Схематический вид центральной части мишени и области, подверженной бомбардировке, представлен на рис. 2. Границы области определялись условием, в соответствии с которым атом бомбардирующего иона может произвести удар по мишени в точку, отстоящую от ближайшего атома кластера по горизонтали не более чем на 4.26 А (значение было выбрано на основании периодичности полученного расположения атомов межслойного кластера). Начальные координаты бомбардирующего иона генерировались с помощью двумерной псевдослучайной последовательности из [14]. Продолжительность моделирования каждого акта бомбардировки составляла 6 пс по модельному времени.
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Коэффициенты распыления компонентов системы с поверхности мишени представлены в таблице. Следует отметить, что бомбардировка ионами с энергией 100 эВ не приводит к распылению компо-
Коэффициенты распыления компонентов с поверхности мишени и коэффициенты обратного рассеяния
Компонент системы
100 200 400
Кластер Си13 0 0.07 0.11
Кристалл графита 0 0 0.11
Ионы Аг (обратное рассеяние) 0.12 0.03 0.01
Энергия бомбардирующего иона, эВ
Рис. 2. Схематический вид центральной части мишени вдоль направления бомбардировки. Белые круги соответствуют атомам межслойного кластера. Сплошная область серого цвета соответствует области мишени, подвергаемой бомбардировке.
нентов мишени с поверхности, при бомбардировке ионами с энергией 400 эВ распыление с поверхности — редкое событие. Доля обратнорассеянных ионов с увеличением их начальной энергии падает.
Зависимости частоты имплантации ионов от глубины имплантации приведены на рис. 3. Анализ данных зависимостей показывает, что имплантация происходит преимущественно в промежутки между слоями атомов графита. При бомбардировке ионами с энергией 100 эВ имплантация происходит в большинстве случаев в промежуток между первым (поверхностным) и вторым слоями атомов углерода. При бомбардировке ионами с энергией 200 эВ имплантация происходит преимущественно в промежуток между вторым и третьим слоями атомов, однако значительная часть также имплантируется в промежуток между первым и вторым слоями. При бомбардировке ионами с энергией 400 эВ имплантация происходит преимущественно в промежуток между третьим и четвертым слоями атомов, однако значительная часть также имплантируется в промежутки между вторым и третьим и между четвертым и пятым слоями.
Перемещение атомов кластера завершается к моменту достижения модельным временем отметки 2.5 пс в зависимости от энергии бомбардирующего иона. На рис. 4 представлены частоты образования фрагментов кластеров в расчете на один акт бомбардировки. Наиболее вероятными при одиночной бомбардировке являются события сохранения целостности кластера и образования фрагментов, состоящих из одного атома. С увеличением энергии бомбардирующего иона увеличивается частота образования фрагментов кластера. Наиболее значительно возрастает частота образования фрагментов,
МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА БОМБАРДИРОВКИ
591
6.7 13.4 Глубина, 10-10
I — I-Г-г
20.1
м
Рис. 3. Частота имплантации ионов на определенную глубину (отсчеты по оси глубины соответствуют расположению слоев атомов углерода): 1 — бомбардировка ионами Аг 100 эВ; 2 — бомбардировка ионами Аг 200 эВ; 3 — бомбардировка ионами Аг 400 эВ.
0 2 4 6 8 10 12 Количество атомов во фрагменте кластера Си
Рис. 4. Частота образования фрагментов кластеров (на один акт бомбардировки): 1 — бомбардировка ионами Аг 100 эВ; 2 — бомбардировка ионами Аг 200 эВ; 3 — бомбардировка ионами Аг 400 эВ.
состоящих из одного атома. Так, при увеличении энергии бомбардирующего иона со 100 до 200 эВ частота образования единичных атомов меди между слоями графита возрастает в 4 раза. Следует отметить, что увеличение частоты образования мелких фрагментов значительно выше при увеличении энергии бомбардирующего иона со 100 до 200 эВ, чем при увеличении этой энергии с 200 до 400 эВ.
На рис. 5 представлены зависимости частоты перемещения атомов кластера в определенном
0.3 0.2 0.1
0.1
0.2
0.3
щ а
0.4
0.2
0.2
0.4
0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3
0.4 0.2 0 0.2 0.4
0.4 0.2
0 0.2 0.4
Рис. 5. Зависимость частоты перемещения атомов кластера в определенном направлении от азимутального угла с разрешением 5° при бомбардировке ионами Аг 100 эВ (а), ионами Аг 200 эВ (б) и ионами Аг 400 эВ (в).
0
0
в
0
направлении от азимутального угла с разрешением 5° при бомбардировке ионами с разными энергиями.
ВЫВОДЫ
Исследован процесс нормальной бомбардировки межслойных кластеров Си13 в кристалле графита ионами Аг с энергией 100, 200 и 400 эВ методом молекулярно-динамического моделирования с использованием многочастичных потенциалов для графита и меди.
Межслойный кластер меди из 13 атомов в кристалле а-графита принимает конфигурацию дополнительного слоя атомов меди между слоями атомов углерода.
Бомбардировка ионами с энергией 100 эВ не приводит к распылению компонентов мишени с поверхности, при бомбардировке ионами с энергией 400 эВ распыление с поверхности также является редким событием. Доля обратнорассеян-ных ионов с увеличением их начальной энергии падает.
Перемещение атомов кластера завершает
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.