ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 10, с. 40-44
УДК 531.395:539.198.231:519.6
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НАНОКЛАСТЕРОВ С ТОНКИМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ПЛЕНКАМИ
© 2015 г. Б. Батгэрэл1, 2, А. Ю. Дидык1, Э. Г. Никонов1, *, И. В. Пузынин1
1 Объединенный институт ядерных исследований, 141980Дубна, Россия 2Монгольский государственный университет науки и технологии, 14191 Улан-Батор, Монголия
*Е-таИ: e.nikonov@jinr.ru Поступила в редакцию 12.01.2015 г.
Методом молекулярно-динамического моделирования изучено взаимодействие пучков металлических кластеров с тонкими металлическими пленками в зависимости от интенсивности пучков. Обнаружено, что образование нанопор начинается с возникновения углублений в виде воронок и завершается формированием сквозного отверстия при увеличении числа налетающих нанокластеров. Глубина образовавшейся воронки зависит от числа налетающих нанокластеров и временного промежутка между нанокластерами в пучке. Обнаружено явление контракции нанопор, образующихся в процессе облучения нанокластерами тонкого металлического слоя.
Ключевые слова: молекулярно-динамическое моделирование, тонкие металлические пленки, нано-кластеры, контракция нанопор, кристаллическая решетка.
БО1: 10.7868/80207352815080041
ВВЕДЕНИЕ
Изучение взаимодействия ускоренных атомных или молекулярных нанокластеров с поверхностью твердых тел представляет интерес благодаря прикладной ценности результатов исследований для непосредственного использования в нанотехнологических процессах. Имплантация ионов и напыление пленок на поверхность под действием ионного облучения стали неотъемлемой частью технологии микроэлектроники. Пучки ионов успешно применялись и применяются для решения таких задач, как упрочнение материалов и защита от коррозии. Большие успехи достигнуты в технологии применения нанокластер-ных пучков для диагностики состава и структуры материалов, получения новых материалов [1—3].
Кластер представляет собой ансамбль, состоящий из атомов или молекул от нескольких единиц до нескольких десятков тысяч. Такие образования могут существовать в вакууме в виде отдельных частиц или их пучков. Изучение свойств кластеров, их взаимодействия с различными частицами и веществом представляет несомненный теоретический и практический интерес.
Для теоретических исследований широко используются современные методы математического моделирования, в частности методы молекулярной динамики, которые обладают рядом достоинств с точки зрения постановки исходной задачи и задания начальных и граничных условий. Кроме того, применение методов молеку-
лярной динамики для численного моделирования процессов обусловлено уже разработанной реализацией алгоритмов эволюции системы и их оптимизацией на высокопроизводительных вычислительных системах.
В настоящей работе исследуется взаимодействие пучков металлических кластеров с тонкими металлическими пленками в зависимости от интенсивности пучков методами молекулярно-ди-намического моделирования с применением пакета программ ЬРМЭ [4].
МОДЕЛИРУЕМАЯ СИСТЕМА И ЕЕ ПОДГОТОВКА
Моделируемая система состоит из медной подложки и последовательности нанокластеров меди, образующих пучки. Элементы системы (на-нокластер и подложка) готовятся специальным образом перед моделированием процесса их взаимодействия [5—7].
Структура реальных наноразмерных кластеров Си существенно отличается от структуры гране-центрированной кристаллической решетки меди. Для уменьшения этого различия из кристаллической решетки выбирается необходимое для получения оптимальной (как правило, икосаэдриче-ской) структуры нанокластера число атомов, находящихся на наименьших расстояниях от центрального атома. Чтобы изменить структуру нанокластера, нагреваем его до температуры 1800 К
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НАНОКЛАСТЕРОВ (а) (б) (в) (г)
Рис. 1. Сечение мгновенных снимков единичного соударения в различные моменты времени: а — t = 1.5 пс, б — t = 3 пс, в — t = 10 пс, г — t = 20 пс.
(температура плавления меди равна 1356 К). Затем нанокластеры охлаждаются до комнатной температуры (300 К) и выдерживаются при этих условиях с целью приведения их к равновесному состоянию. Каждый цикл длится 100000 шагов по времени, шаг по времени равен 1 фс. Моделируемый кластер состоит из 147 атомов меди, диаметр кластера Б достигает 15.51 А.
Подложка представляет собой прямоугольный параллелепипед с геометрическими размерами 54.15 х 108.3 х 108.3 А и состоит из 54000 атомов меди. Периодические граничные условия вводятся по направлениям у и г. Термализация подложки проводится при комнатной температуре в течение 10000 шагов по времени. После подготовки кластера и подложки они объединяются в единую систему. Нанокластеры в пучке находятся на равных расстояниях, кратных постоянной решетки: 3а, 6а, 9а и так далее в зависимости от интенсивности пучка, где а = 3.16 А. Наконец, система тер-мализуется в течение 1000 шагов.
Моделирование столкновений высокоэнергетических кластеров с тонкими металлическими пленками проводилось при значении энергии Е =10.0 эВ/атом, соответствующей режиму столкновений, называемому имплантацией. Взаимодействия между атомами осуществлялись с помощью известного потенциала Сатто-на—Чена [8]. Параметры потенциала для атомов меди: а = 3.61 А, с = 39.755, е = 0.0124 эВ, т = 6, п = 9.
С целью контроля температуры системы подложка разбивалась на активную и термическую зоны. Активная зона представляет собой цилиндр радиусом 18.05 А, расположенный в центре под-
ложки с осью вдоль направления х. В процессе моделирования контролировалась температура термической зоны подложки с помощью термостата Берендсена.
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Рассмотрим динамику единичного соударения. Визуальное исследование эволюции состояния сечения подложки (рис. 1) позволяет сделать предположение о трех, качественно различных этапах процесса соударения одиночного нано-кластера с поверхностью. На первом этапе при соударении нанокластера с поверхностью пленки на ней образуется кратер полусферической формы. Диаметр и глубина кратера быстро растут и достигают значений 25.27 и 9.03 А в течение 1.5 пс от начала столкновения. На втором этапе, в течение следующих 1.5 пс, образовавшийся кратер постепенно уменьшается и наконец исчезает. В результате образуется расплавленная зона диаметром 57.76 А и глубиной 18.05 А. На последнем этапе расплавленная зона достаточно быстро остывает (в течение 12 пс), и система приходит в равновесное состояние примерно через 15 пс после начала процесса. На рис. 2 показана зависимость температуры контактной зоны от времени. При анализе структуры использовался метод ближних соседей [9]. На рис. 3 показана процентная доля ближних соседей с характеристиками 1-4-2-1. В объемной гранецентрированной кристаллической решетке все ближние соседи имеют подобную характеристику. Из рис. 3 четко видно, что через 15 пс после соударения вся структура полностью восстанавливается. На поверхности пленки образуются небольшой дефект глубиной
42
БАТГЭРЭЛ и др.
3500 3000 2500 К2000 ^ 1500 1000 500
0
5 10
15 20 25 пс
30 35 40
м
100 80 60 40 20
5 10 15
20 25 пс
30 35 40
Рис. 2. Температура контактной зоны.
Рис. 3. Структурный анализ контактной зоны: — доля атомов, образующих гранецентрированную кубическую структуру (&с).
0
около одного атомного слоя, а также дополнительный слой толщиной в один период решетки за счет вытесненных атомов подложки и атомов кластера. Большинство атомов кластера проникает внутрь подложки, глубина проникновения достигает до 11 А.
Структура поверхности при последовательной бомбардировке зависит от ее интенсивности. Моделирование проводилось для девяти разных периодов времени между бомбардирующими кластерами: Т = 0.46, 1.44, 2.23, 3.21, 4.19, 6.16, 8.12, 19.91 пс. По результатам моделирования взаимодействие кластерных пучков с тонкими металлическими пленками можно разделить на четыре группы в зависимости от интенсивности пучков.
При облучении сверхинтенсивным пучком (с периодом Т = 0.46 пс) очередное соударение происходит на этапе образования кратера. Поэтому
по мере увеличения числа ударов увеличивается глубина кратера, и после определенного критического числа ударов мишень пробивается, образуя сквозное отверстие (рис. 4). При данных условиях моделирования критическое значение числа ударов равно шести.
При облучении интенсивным пучком (Т = = 1.44, 2.23 пс) очередное соударение происходит в момент времени, когда термализация контактной зоны еще не завершена. Взаимодействие при соударении в данных условиях происходит аналогично одиночному соударению. Диаметр углубления уменьшается. Нанокластеры теряют часть атомов при соприкосновении со стенками углубления в процессе соударения. После определенного критического числа ударов мишень пробивается с образованием сквозного отверстия. При данных условиях моделирования критическое значение числа ударов равно девяти. На задней
Рис. 4. Сечение мгновенных снимков для пучка с периодом Т = 0.46 пс в различные моменты времени: а — t = 3 пс, б — t = 4.5 пс, в - t = 27 пс, г - t = 40 пс.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НАНОКЛАСТЕРОВ
43
Рис. 5. Сечение мгновенных снимков для пучка с периодом Т = 1.44 пс в различные моменты времени: а — t = 9.5 пс, б - t = 14.5 пс, в - t = 27 пс, г - t = 40 пс.
Рис. 6. Сечение мгновенных снимков для пучка с периодом Т = 4.19 пс в различные моменты времени: а — t = 90.3 пс, б - t = 92.4 пс, в - t = 98 пс, г - t = 120 пс.
стенке мишени вокруг отверстия образуется "хвост" из сохранившихся атомов. Постепенно этот "хвост" сжимается и закрывает заднюю стенку мишени (рис. 5).
При облучении слабоинтенсивным пучком (Т = 3.21, 4.19, 6.16 пс) соударение происходит после полной термализации контактной зоны (рис. 6). Образовавшийся в результате соударения кратер частично заполняется атомами кластера. По мере увеличения числа ударов атомы кластера все глубже проникают в мишень и достигают определенной глубины. При дальнейшем увеличении числа соударений атомы кластера перестают проникать глубже (рис. 7). После взаимодействия пучка с мишенью об
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.