충돌 폭포

Collision cascade
낮은 지구 궤도에 있는 물체 간의 충돌로 인해 더 많은 파편을 생성하는 추가 물체와 충돌하는 파편의 연쇄 반응이 발생하는 시나리오는 케슬러 증후군을 참조하십시오.
고전적인 분자역학 컴퓨터 시뮬레이션으로 10 keV Au 자가 레일에 의해 유도된 Au의 충돌 폭포. 이는 열스파이크 체제에서 충돌 폭포가 발생한 전형적인 사례다. 각 작은 구체는 3차원 시뮬레이션 셀의 2-원자층 두께 단면에서 원자의 위치를 보여준다. 색상은 원자의 운동 에너지를 (로그 눈금으로) 보여주고, 흰색과 빨간색은 10 keV 아래로부터의 운동 에너지가 높고, 파란색은 낮다.

충돌 캐스케이드(변위 캐스케이드 또는 변위 스파이크라고도 한다)는 고체 또는 액체에서 정력 입자에 의해 유도된 원자의 인접한 정력(일반 열 에너지보다 훨씬 높은) 충돌의 집합이다.[1][2]

충돌 계단식 내 최대 원자 또는 이온 에너지가 물질의 임계 변위 에너지(eVs 이상의 tens)보다 높을 경우, 충돌은 격자 부위에서 원자를 영구히 대체하고 결함을 발생시킬 수 있다. 초기 정력 원자는 입자 가속기에서 나오는 이온, 지나가는 고에너지 중성자, 전자 또는 광자에 의해 생성되는 원자 반동이 될 수도 있고, 방사성 핵이 원자에게 반동에너지를 줄 때 생성될 수도 있다.

충돌 폭포의 특성은 반동/들어오는 이온의 에너지와 질량, 물질의 밀도(정지력)에 따라 크게 달라질 수 있다.

선형 계단식

원자 사이의 독립적 이진 충돌에 대한 도식적 그림

초기 반동/이온 질량이 낮고, 폭포가 발생하는 물질은 밀도가 낮을 때(즉, 반동 물질 조합은 정지력이 낮을 때), 초기 반동과 표본 원자의 충돌은 거의 발생하지 않으며, 원자 사이의 일련의 독립적 이항 충돌로 잘 이해할 수 있다. 이러한 종류의 계단식 폭포는 이항 충돌 근사치(BCA) 시뮬레이션 접근법을 사용하여 이론적으로 잘 처리될 수 있다. 예를 들어, 10 keV 미만의 에너지를 가진 H와 He 이온은 모든 물질에서 순전히 선형 계단식으로 이어질 것으로 예상된다.

선형 충돌 계단식 도식적 그림. 두꺼운 선은 표면의 위치를 나타내고, 얇은 선은 원자의 탄도 이동 경로를 처음부터 물질에서 멈출 때까지 보여준다. 보라색 원은 들어오는 이온이다. 빨간색, 파란색, 녹색 및 노란색 원은 각각 1차, 2차, 3차 및 2차 반동을 나타낸다. 탄도 충돌 사이에 이온들은 곧은 길을 따라 움직인다.

가장 일반적으로 사용되는 BCA 코드 SRIM은[3] 1 GeV의 이온 에너지까지 모든 물질의 모든 이온에 대해 정렬되지 않은 물질의 선형 충돌 폭포를 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있다. 단, SRIM은 전자 에너지 침적으로 인한 손상이나 흥분된 전자에 의해 발생하는 손상과 같은 효과를 치료하지 않는다는 점에 유의한다. 사용된 핵 및 전자 정지력은 평균적으로 실험에 적합하며 따라서 완벽히 정확하지도 않다. 전자 정지 동력은 이항 충돌 근사치[4] 또는 분자 역학(MD) 시뮬레이션에 쉽게 포함될 수 있다. MD 시뮬레이션에서 그것들은 마찰력 또는 전자 시스템의 난방을 따르고 전자와 원자 자유도를 결합함으로써 더 진보된 방식으로 포함될 수 있다.[13][14][15] 그러나 불확실성은 전자 정지 전력 또는 전자-폰 커플링의 적절한 저에너지 한계에 관한 것이다.[12][16]

선형 계단식에서는 샘플에서 생성된 반동 세트가 원래의 충돌 이후 얼마나 많은 충돌 단계가 지나갔는지에 따라 반동 생성의 순서에 따라 설명될 수 있다. 1차 노크-온 원자(PKA), 2차 노크-온 원자(SKA), 3차 노크-온 원자(TKA) 등이다. 모든 에너지가 노킹온 원자로 전달될 가능성은 극히 희박하기 때문에, 각 반동 원자의 세대는 평균적으로 이전보다 적은 에너지를 가지고 있으며, 결국 노킹원자의 에너지는 손상생산을 위한 임계 변위 에너지 아래로 가게 되는데, 이때 더 이상의 손상이 발생하지 않는다.

열 스파이크(열 스파이크)

이온이 충분히 무겁고 활력이 넘치고, 물질이 밀도가 높을 때, 이온들 사이의 충돌은 서로 독립적이라고 볼 수 없을 정도로 서로 가까이에서 일어날 수 있다. 이 경우 프로세스는 수십만 개의 원자와 수만 개의 원자 사이의 다체 상호작용의 복잡한 과정이 되며, BCA로는 처리할 수 없지만 분자역학 방법을 사용하여 모델링할 수 있다.[1][17]

위와 같이, 그러나 중앙에서는 충돌 지역이 너무 밀도가 높아져서 여러 차례의 충돌이 동시에 일어나는데, 이것을 열 스파이크라고 한다. 이 지역에서 이온은 복잡한 경로로 이동하며, 반동의 숫자 순서를 구별할 수 없기 때문에 원자는 빨강과 파랑의 혼합물로 색칠된다.

전형적으로 열스파이크는 폭포 중심에 일시적인 저감각 지역이 형성되고, 그 주변에 과대감각 지역이 형성되는 것이 특징이다.[1][18] 폭포 이후 과대지역은 간간결함이 되고, 과소지역은 전형적으로 빈방이 되는 지역이 된다.

밀도 충돌 영역에 있는 원자의 운동 에너지를 온도(기본 방정식 E = 3/2·N·kTB 사용)로 다시 계산하면, 온도 단위의 운동 에너지가 초기에는 10,000 K의 순서임을 알게 된다. 이 때문에 이 지역은 매우 더운 것으로 간주될 수 있으며, 따라서 열 스파이크 또는 열 스파이크라고 불린다(보통 두 용어는 등가로 간주된다). 열 스파이크는 주변 온도까지 1–100 ps로 냉각되므로 이곳의 "온도"는 열역학적 평형 온도에 해당하지 않는다. 그러나 약 3개의 격자 진동 후 열 스파이크에 있는 원자의 운동 에너지 분포는 맥스웰-볼츠만 분포를 가지므로 [19]온도 개념의 사용이 어느 정도 정당화되는 것으로 나타났다. 게다가, 실험 결과 열 스파이크는 매우 높은 온도를 필요로 하는 것으로 알려진 위상 전환을 유도할 수 있다는 것을 보여주었고,[20] 이는 (비균형) 온도의 개념이 실제로 충돌 폭포를 설명하는 데 유용하다는 것을 보여준다.

많은 경우에 동일한 조사 조건은 선형 계단식 및 열 스파이크의 조합이다. 예를 들어, Cu를 폭격하는 10 MeV Cu 이온은 핵 정지 전력이 낮기 때문에 처음에는 선형 계단식 계통에서 격자로 이동한다. 그러나 일단 Cu 이온이 충분히 느려지면, 핵 정지 전력이 증가하여 열 스파이크가 생성될 것이다. 게다가, 들어오는 이온의 1차 및 2차 반동 중 다수는 keV 범위에 에너지를 가지고 있기 때문에 열 스파이크를 발생시킬 수 있다.

예를 들어 구리의 구리 조사의 경우 약 5–20 keV의 반동 에너지가 열 스파이크를 발생시킬 수 있다고 거의 보장된다.[21][22] 낮은 에너지에서는 폭포 에너지가 너무 낮아 액체 같은 영역을 생성하지 못한다. 훨씬 높은 에너지에서 Cu 이온은 처음에는 선형 계단식으로 이어질 가능성이 높지만, 반동으로 인해 초기 이온이 충분히 속도를 줄이면 열 스파이크가 발생할 수 있다. 개념 하위 캐스케이드 파괴 임계값 에너지는 물질의 반동이 하나의 밀도가 높은 열 스파이크를 생성하기 보다는 여러 개의 고립된 열 스파이크를 발생시킬 수 있는 에너지를 의미한다.

컴퓨터 시뮬레이션 기반의 열 스파이크 시스템에서의 충돌 폭포 애니메이션을 유튜브에서 볼 수 있다.[23]

급속 중이온 열 스파이크

빠른 중이온, 즉, 매우 강한 전자 정지에 의해 피해를 내는 MeV와 GeV 중이온도 강한 격자 가열과 일시적인 교란 원자의 영역으로 이어진다는 점에서 열 스파이크를[24][25] 발생시키는 것으로 간주할 수 있다. 그러나 적어도 손상의 초기 단계는 쿨롱 폭발 메커니즘 측면에서 더 잘 이해할 수 있을 것이다.[26] 가열 메커니즘이 무엇인지에 관계없이 절연체의 빠른 중이온은 일반적으로 밀도가 감소된 긴 원통형 손상 구역을[24][27] 형성하는 이온 트랙을 생성한다는 것이 잘 확립되어 있다.[28][29]

시간 척도

충돌 폭포의 특성을 이해하기 위해서는 관련 시간 규모를 아는 것이 매우 중요하다. 초기의 이온/레코일과 그 일차 및 저차 반동이 임계 변위 에너지보다 훨씬 높은 에너지를 가질 때, 캐스케이드의 탄도 단계는 일반적으로 0.1–0.5 ps이다. 열 스파이크가 형성되면 스파이크 온도가 기본적으로 주변 온도로 냉각될 때까지 약 1–100 ps 동안 생존할 수 있다.[30] 캐스케이드의 냉각은 격자 열전도율과 뜨거운 이온 서브시스템이 전자-폰 커플링을 통해 전자 열전도율을 통해 이루어진다. 불행하게도 열전자에서 온전한 결정구조로 열을 전달하는 상당히 잘 알려진 과정에는 동등하게 처리될 수 없기 때문에 열전자와 불순열 이온계로부터 전자-포논 결합의 속도는 잘 알려져 있지 않다.[31] 마지막으로, 결점이 형성되었을 때, 폭포의 이완 단계는 재료, 결점 이동 및 재결합 특성, 주변 온도에 따라 몇 ps에서 무한대로 지속될 수 있다.

영향들

채널링 조건에서 Au에서 30 keV Xe 이온에 의해 생성된 열 스파이크 시스템에서 충돌 캐스케이드의 시간 개발을 보여주는 영상 시퀀스. 이 이미지는 충돌 폭포의 고전적인 분자 역학 시뮬레이션에 의해 생성된다. 이미지는 3차원 시뮬레이션 셀의 중간에 있는 두 개의 원자 층의 단면을 보여준다. 각 구체는 원자의 위치를 나타내고, 색깔은 오른쪽의 척도로 나타낸 대로 각 원자의 운동 에너지를 나타낸다. 끝에는 점 결함과 탈구 루프가 모두 남아 있다.

피해생산

캐스케이드 내의 운동 에너지는 매우 높을 수 있기 때문에, 그것은 물질을 열역학적 평형 바깥으로 국소적으로 몰고 갈 수 있다. 일반적으로 이것은 결함 생산을 초래한다. 결함은 예를 들어 Frenkel 쌍, 순서 또는 순서 이탈된 탈구 루프, 쌓이는 결함 [32]또는 비정형 영역과 같은 점 결점이 될 수 있다.[33] 많은 물질에 대한 장기간 조사로 인해 완전한 무정형이 발생할 수 있으며, 이는 실리콘 칩의 이온 이식 도핑 중에 정기적으로 발생한다.[34]

결점 생성은 중성자가 물질의 기계적 특성을 서서히 저하시키는 핵분열 및 핵융합로나 레이저의 작동 속도를 높이기 위해 반도체 양자 우물 구조에 이온을 도입하는 등 유용하고 바람직한 재료 수정 효과와 같이 해로울 수 있다.[35] 또는 탄소 나노튜브를 강화한다.[36]

충돌 폭포의 특이한 특징은 최종 피해량이 열 급상승에 의해 처음 영향을 받은 원자의 수보다 훨씬 적을 수 있다는 것이다. 특히 순수 금속의 경우 열 스파이크 단계 이후의 최종 손상 생산은 스파이크에서 변위된 원자의 수보다 작은 크기의 순서가 될 수 있다.[1] 반면에, 반도체와 다른 공동 결합 물질에서 손상 생산은 보통 원자의 이탈 수와 유사하다.[1][22] 이온성 물질은 재조합된 손상 분율과 관련하여 금속이나 반도체처럼 동작할 수 있다.[37]

기타 결과

표면 근처의 충돌 폭포는 종종 가래침을 유발하는데, 이는 선형 스파이크와 열 스파이크 방식 둘 다에서 발생한다.[21] 표면 근처의 열 스파이크도 종종 분화구 형성을 초래한다.[38][39] 이 분화구는 원자의 액체 흐름에 의해 발생하지만 발사체의 크기가 대략 10만 원자를 넘으면 분화구 생성 메커니즘은 총알이나 소행성에 의해 생성된 거시적 분화구와 같은 메커니즘으로 전환된다.[40][41]

많은 원자가 폭포(cascade)에 의해 변위된다는 것은 이온이 일반적으로 열역학적으로 불변하는 물질에 대해서도 의도적으로 물질을 혼합하는 데 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 이 효과는 이온 빔 혼합이라고 알려져 있다.[42]

조사의 비균형성은 또한 열역학적 평형에서 물질을 몰아내는데 사용될 수 있으며, 따라서 새로운 종류의 합금을 형성한다.[43]

참고 항목

참조

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