이항 충돌 근사

Binary collision approximation

이원충돌근사(BCA)는 이온조사물리학에서 사용되는 방법을 의미하며 고체 내 에너지(킬로전자볼트(keV) 범위 이상의 운동 에너지 포함) 이온에 의한 침투 깊이 및 결함 생성의 효율적인 컴퓨터 시뮬레이션을 가능하게 한다.본 발명의 방법에서는 이온은 샘플 원자(핵자)와 일련의 독립된 2진수 충돌을 경험함으로써 물질을 통과하도록 근사된다.충돌 사이에 이온은 직선 경로로 이동하며 전자 정지력을 경험하지만 [1][2][3]핵과의 충돌에서 에너지를 잃지 않는 것으로 가정한다.

원자간 독립된 2진 충돌의 개략도

시뮬레이션 어프로치

BCA 어프로치에서는 유입 이온의 충격 파라미터에 대해 2개의 충돌 입자 사이의 고전적인 산란 적분을 해결함으로써 유입 이온과 타깃 원자(핵) 간의 단일 충돌을 처리한다.적분 용액은 이온의 산란각과 샘플 원자에 대한 에너지 손실을 제공하며, 따라서 충돌 후 에너지가 [1]이전과 비교됩니다.산란 적분은 질량 중심 좌표계(원자 간 전위가 1개인 단일 입자로 환원된 2개의 입자)에 정의되며 산란 각도와 원자 간 전위가 관련된다.

또한 충돌의 시간 적분을 해결하여 충돌 중 경과된 시간을 알 수 있습니다.이는 적어도 BCA가 "풀 캐스케이드" 모드로 사용되는 경우 필요합니다(아래 참조).

전자에 대한 에너지 손실, 즉 전자 정지 전력은 [5]충돌 사이의 이온 속도에 의존하는 정지 전력을 차감하여 충격 파라미터에 의존하는 전자 정지 [4]모델을 사용하거나 두 가지 접근방식을 조합하여 처리할 수 있다.

충격 매개변수의 선택 방법은 BCA 코드를 "몬테 카를로" BCA 코드와 결정-BCA 코드의 두 가지 주요 변종으로 나누었다.

이른바 몬테카를로 BCA 접근방식에서 다음 충돌 원자의 거리 및 충격 매개변수는 물질의 원자 밀도에만 의존하는 확률 분포에서 무작위로 선택된다.이 접근법은 본질적으로 완전히 비정질적인 물질에서 이온 통로를 시뮬레이션합니다.(일부 출처는 BCA의 종류를 몬테카를로라고 부르는데, 그 이름은 완전히 다른 몬테카를로 시뮬레이션의 종류와 혼동될 수 있기 때문에 오해의 소지가 있다.)SRIM 및 SDTrimSP는 Monte-Carlo BCA 코드입니다.

또한 결정성 재료에 BCA 방법을 구현할 수 있으며, 이동 이온이 결정 중에 정해진 위치를 가지며, 다음 충돌 원자까지의 거리와 충격 파라미터가 결정 중의 원자에 대응하도록 결정된다.이 접근법에서는 BCA를 사용하여 채널링 중 원자 운동을 시뮬레이션할 수 있습니다.MARLOWE 등의 코드는, 이 어프로치로 동작합니다.

또한 이원 충돌 근사치를 확장하여 장기 이온 조사,[6] 즉 이온 주입 및 스패터링으로 인한 물질의 동적 구성 변화를 시뮬레이션할 수 있다.

저이온 에너지에서는, 원자간의 독립적 충돌의 근사치가 분해되기 시작합니다.이 문제는 여러 번의 [3][7]동시 충돌에 필수적인 충돌을 해결함으로써 어느 정도 증가할 수 있습니다.그러나 매우 낮은 에너지(더 정확한 추정치는 1keV 이하)에서 BCA 근사치는 항상 분해되며, 설계에 따라 다수의 원자의 다체 충돌을 처리할 수 있기 때문에 분자 역학 이온 조사 시뮬레이션 접근방식을 사용해야 한다.MD 시뮬레이션은 들어오는 이온(리코일 상호작용 근사 또는 RIA)만을 따르거나 충돌 [10]캐스케이드에 관여하는 모든 원자를 시뮬레이션할 수 있습니다.

BCA 충돌 캐스케이드 시뮬레이션

BCA 시뮬레이션은 들어오는 이온만을 따르는지 또는 이온에 의해 생성된 반동을 따르는지에 따라 유형별로 더 세분될 수 있다(예: 인기 있는 BCA 코드 SRIM에서). 코드가 2차 충돌(리코일)을 설명하지 않는 경우, 결함 수는 로빈슨 확장 O를 사용하여 계산된다.f Kinchin-Pease 모델.

초기 반동/이온 질량이 낮고 캐스케이드가 발생하는 물질의 밀도가 낮으면(반동-재료 조합의 정지력이 낮다), 초기 반동과 샘플 원자 간의 충돌은 거의 발생하지 않으며 원자 간의 독립된 2진 충돌의 연속도 이해할 수 있다.이러한 종류의 캐스케이드는 이론적으로 BCA를 사용하여 잘 처리될 수 있습니다.

선형 충돌 캐스케이드의 개략도.굵은 선은 표면의 위치를 나타내며, 얇은 선은 원자의 탄도 이동 경로를 시작부터 물질 내에서 멈출 때까지 나타냅니다.보라색 원은 들어오는 이온입니다.빨간색, 파란색, 녹색 및 노란색 원은 각각 1차, 2차, 3차 및 4차 반동을 나타낸다.탄도 충돌 사이에 이온은 직선 경로를 따라 움직입니다.BCA는 "풀 캐스케이드 모드"에서 잘 선형 충돌 캐스케이드를 설명할 수 있습니다.

피해생산견적

BCA 시뮬레이션은 자연스럽게 이온 투과 깊이, 측면 확산 및 우주에서의 핵 및 전자 퇴적 에너지 분포를 제공한다.또한 재료의 역치 변위 에너지보다 높은 에너지를 받는 반동이 안정적인 결함을 발생시킨다는 가정을 사용하여 재료에서 발생하는 손상을 추정하는 데 사용할 수 있다.

단, 이 접근방식은 몇 가지 이유로 신중하게 사용해야 합니다.예를 들어, 열적으로 활성화된 손상의 재조합을 설명하지 않으며, 금속에서 손상의 생산은 Kinchin-Pease [11]예측의 20% 정도만 높은 에너지에 대한 것이라는 잘 알려진 사실도 설명하지 않습니다.또한 이 접근방식은 모든 결함이 Frenkel 쌍으로 분리된 것처럼 손상 생성만 예측하며, 대부분의 경우 충돌 캐스케이드는 초기 손상 [12][13]상태로 결함 클러스터 또는 전위를 생성한다.그러나 BCA 코드는 이러한 [14][15]측면에서 신뢰성을 향상시키는 손상 클러스터링 및 재조합 모델로 확장할 수 있습니다.마지막으로, 평균 역치 변위 에너지는 대부분의 재료에서 매우 정확하게 알려져 있지 않습니다.

BCA 코드

  • SRIM은[16] 그래픽 사용자 인터페이스를 제공하며 현재 가장 많이 사용되는 BCA 코드입니다.1GeV의 이온 에너지까지 모든 물질에서 모든 이온에 대해 비정질 물질의 선형 충돌 캐스케이드를 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다.단, SRIM은 채널링, 전자 에너지 증착에 의한 손상(예를 들어 재료의 신속한 중이온 손상을 기술하기 위해 필요) 또는 들뜬 전자에 의해 발생하는 손상과 같은 영향은 취급하지 않습니다.계산된 스패터 수율은 다른 [17]코드보다 정확도가 낮을 수 있습니다.
  • MARLOWE는 결정성 물질을 처리할 수 있는 대형 코드이며 수많은 물리 모델을 지원합니다.
  • TRIDYN은 [6]SDTrimSP라고 불리는 새로운 버전으로 동적 구성 변경을 처리하는 BCA 코드입니다.
  • DART, Saclay의 CEA(Commisariate ' ' ' ' ' ' Energie Atomique)에 의해 개발된 프랑스어 코드.SRIM과는 산란 적분의 전자 정지력 및 분석 분해능이 다르다(생성되는 결함의 양은 탄성 단면과 원자의 원자 농도에 따라 결정된다).핵 정지력은 원자간 전위(ZBL 전위)에서 나오는 반면, 전자 정지력은 양성자에 대한 베테의 방정식과 이온에 대한 린드하르트 샤프 방정식에서 도출된다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b R. Smith(ed.), 고체 및 표면에서의 원자 및 이온 충돌: 이론, 시뮬레이션 및 응용, 캠브리지 대학 출판부, 영국 캠브리지, 1997년 ISBN0-521-44022-X
  2. ^ a b Robinson, M (1992). "Computer simulation studies of high-energy collision cascades1". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. 67 (1–4): 396–400. Bibcode:1992NIMPB..67..396R. doi:10.1016/0168-583X(92)95839-J.
  3. ^ a b c Robinson, Mark; Torrens, Ian (1974). "Computer simulation of atomic-displacement cascades in solids in the binary-collision approximation". Physical Review B. 9 (12): 5008. Bibcode:1974PhRvB...9.5008R. doi:10.1103/PhysRevB.9.5008.
  4. ^ L. M. 키시네브스키, 비탄성 원자 충돌에 대한 횡단면, 황소.아카데미, 과학.소련, 물리경 26, 1433 (1962)
  5. ^ J. F. 지글러, J. P. 비어삭 및 U. Littmark, The Stoping and Range of Ions in Matter, 1985 ISBN 0-08-022053-3 및 참조.
  6. ^ a b Moller, W; Eckstein, W (1984). "Tridyn — A TRIM simulation code including dynamic composition changes". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. 2 (1–3): 814–818. Bibcode:1984NIMPB...2..814M. doi:10.1016/0168-583X(84)90321-5.
  7. ^ Gartner, K (1995). "Round robin computer simulation of ion transmission through crystalline layers". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. 102 (1–4): 183–197. Bibcode:1995NIMPB.102..183G. doi:10.1016/0168-583X(95)80139-D.
  8. ^ Hobler, G (2001). "On the useful range of application of molecular dynamics simulations in the recoil interaction approximation". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. 180 (1–4): 203–208. Bibcode:2001NIMPB.180..203H. doi:10.1016/S0168-583X(01)00418-9.
  9. ^ Nordlund, K (1995). "Molecular dynamics simulation of ion ranges in the 1–100 keV energy range". Computational Materials Science. 3 (4): 448–456. doi:10.1016/0927-0256(94)00085-Q.
  10. ^ De La Rubia, T.; Averback, R.; Benedek, R.; King, W. (1987). "Role of thermal spikes in energetic displacement cascades". Physical Review Letters. 59 (17): 1930–1933. Bibcode:1987PhRvL..59.1930D. doi:10.1103/PhysRevLett.59.1930. PMID 10035371.
  11. ^ R. S. Averback과 T.Diaz de la Rubia, 조사 금속 및 반도체의 변위 손상, 솔리드 스테이트 물리학, ed.H. 에렌페스트와 F.Spaepen, 제5권, 281-402, 학술 출판사, 뉴욕, 1998.ISBN 0-12-607751-7
  12. ^ Nordlund, K.; Ghaly, M.; Averback, R.; Caturla, M.; Diaz De La Rubia, T.; Tarus, J. (1998). "Defect production in collision cascades in elemental semiconductors and fcc metals" (PDF). Physical Review B. 57 (13): 7556. Bibcode:1998PhRvB..57.7556N. doi:10.1103/PhysRevB.57.7556. Archived from the original (PDF) on 2011-07-16.
  13. ^ Nordlund, K.; Gao, F. (1999). "Formation of stacking-fault tetrahedra in collision cascades". Applied Physics Letters. 74 (18): 2720. Bibcode:1999ApPhL..74.2720N. doi:10.1063/1.123948.
  14. ^ Heinisch, H. L. (1990). "Computer simulation of high energy displacement cascades". Radiation Effects and Defects in Solids. 113 (1–3): 53–73. doi:10.1080/10420159008213055.
  15. ^ Pugacheva, T; Djurabekova, F; Khvaliev, S (1998). "Effects of cascade mixing, sputtering and diffusion by high dose light ion irradiation of boron nitride". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. 141 (1–4): 99–104. Bibcode:1998NIMPB.141...99P. doi:10.1016/S0168-583X(98)00139-6.
  16. ^ SRIM 웹사이트
  17. ^ Hofsäss, H.; Zhang, K.; Mutzke, A. (2014). "Simulation of ion beam sputtering with SDTrimSP, TRIDYN and SRIM". Applied Surface Science. 314: 134–141. Bibcode:2014ApSS..310..134H. doi:10.1016/j.apsusc.2014.03.152. hdl:11858/00-001M-0000-0023-C776-9.

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