Моделирование облучения кремния ионами С60 и роль потенциала взаимодействия

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методом молекулярно-динамического моделирования проведено исследование процессов при падении молекулярных ионов C60 с энергией от 2 до 14 кэВ на поверхность Si(100) при температурах от 0 до 1000 К. Использованы потенциалы взаимодействия Tersoff–ZBL и Airebo, а также учтены электронные потери энергии быстрых частиц. Показано, что при моделировании одиночных событий температура мишени не влияет на развитие каскада смещений, но оказывает влияние на ход процесса его термализации и формирование кратера на поверхности. С повышением энергии увеличивается глубина проникновения углерода в мишень, размеры формируемого кратера и бруствера вокруг него. Коэффициент распыления атомов кремния в этом случае линейно растет с энергией, а в случае атомов углерода выходит на установившееся значение при 10 кэВ. Использование потенциала Tersoff дает при одиночных падениях большее количество распыленных атомов углерода по сравнению с Airebo. При последовательном падении на начальном этапе наблюдается формирование лунки травления, а затем рост углеродной пленки. В отличие от одиночных событий использование потенциала Airebo в случае кумулятивного накопления ионов дает более высокий коэффициент распыления, чем потенциал Tersoff. Образование карбидных связей в кристалле и увеличение их концентрации с ростом флуенса ионов несколько уменьшает количество распыляемых частиц. Поэтому для корректного сравнения результатов моделирования с экспериментом недостаточно использовать результаты анализа одиночных падений, необходимо проведение моделирования кумулятивного накопления флуенса.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

К. П. Карасев

Академический университет им. Ж.И. Алферова; Политехнический университет Петра Великого

Автор, ответственный за переписку.
Email: kir.karasyov2017@yandex.ru
Россия, 195251, Санкт-Петербург; 195251, Санкт-Петербург

Д. А. Стрижкин

Политехнический университет Петра Великого

Email: kir.karasyov2017@yandex.ru
Россия, 195251, Санкт-Петербург

А. И. Титов

Политехнический университет Петра Великого

Email: kir.karasyov2017@yandex.ru
Россия, 195251, Санкт-Петербург

П. А. Карасев

Политехнический университет Петра Великого

Email: platon.karaseov@spbstu.ru
Россия, 195251, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии. М.: Высшая школа, 1984. 135 с.
  2. Zhang L.D.J., Zhang X., Wang H., Li H., Li Y., Bu D. // J. Phys. D. 2021. V. 54. P. 333001.
  3. Redinger A., Hansen H., Linke U., Rosandi Y., Urbas-sek H., Michely T. // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 96. P. 106103. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.106103
  4. Ieshkin A., Kireev D., Ozerova K., Senatulin B. // Mat. Lett. 2020. V. 272. P. 127829. https://www.doi.org/10.1016/j.matlet.2020.127829
  5. Insepov Z., Hassanein A., Norem J., Swenson D.R. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2007. V. 261. P. 664. https://www.doi.org/10.1016/j.nimb.2007.04.134
  6. Kozole J., Winograd N. // Surface Analysis and Techniques in Biology / Ed. Smentkowski V.S., Springer Switzerland, 2014. P. 71. https://www.doi.org/10.1007/978-3-319-01360-2_4
  7. Mahoney C.M. Cluster Secondary Ion Mass Spectrometry: Principles and Applications. John Wiley & Sons, 2013.
  8. Delcorte A., Garrison B.J. // J. Phys. Chem. C. 2007. V. 111. P. 15312. https://www.doi.org/10.1021/jp074536j
  9. Khadem M., Pukha V.E., Penkov O.V., Khodos I.I., Belmesov A.A., Nechaev G.V., Kabachkov E.N., Karaseov P.A., Kim D.-E. // Surf. Coat. Technol. 2021. V. 424. P. 127670. https://www.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127670.
  10. Penkov O.V., Pukha V.E., Starikova S.L., Khadem M., Starikov V.V., Maleev M. V., Kim D.-E. // Biomaterials. 2016. V. 102. P. 130. https://www.doi.org/10.1016/j.biomaterials.2016.06.029
  11. Pukha V.E., Glukhov A.A., Belmesov A.A., Kabachkov E.N., Khodos I.I., Khadem M., Kim D.-E., Karaseov P.A. // Vacuum. 2023. V. 218. P. 112643. https://www.doi.org/10.1016/j.vacuum.2023.112643
  12. Pukha V., Popova J., Khadem M., Dae-Eun Kim, Kho-dos I., Shakhmin A., Mishin M., Krainov K., Titov A., Karaseov P. // International Youth Conference on Electronics, Telecommunications and Information Technologies. Springer Proceedings in Physics / Ed. Velichko E. et al. Cham: Springer, 2021. V. 255. P. 131. https://www.doi.org/10.1007/978-3-030-58868-7_15
  13. Maleyev M.V., Zubarev E.N., Pukha V.E., Drozdov A.N., Vus A.S., Devizenko A.Yu. // Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2015. V. 37. P. 91. https://www.doi.org/10.15407/mfint.37.06.0775
  14. Tersoff J. // Phys. Rev. B. 1988. V. 37. P. 6991. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.37.6991
  15. Stuart S.J., Tutein A.B., Harrison J.A. // J. Chem. Phys. 2000. V. 112. P. 6472. https://www.doi.org/10.1063/1.481208
  16. Krantzman K.D., Kingsbury D.B., Garrison B.J. // Appl. Surf. Sci. 2006. V. 252. P. 6463. https://www.doi.org/10.1016/j.apsusc.2006.02.276
  17. Krantzman K.D., Garrison B.J. // Surf. Interface Anal. 2011. V. 43. P. 123. https://www.doi.org/10.1002/sia.3438
  18. Krantzman K.D., Wucher A. // J. Phys. Chem. C. 2010. V. 114. P. 5480. https://www.doi.org/10.1021/jp906050f
  19. Карасев К.П., Стрижкин Д.А., Титов А.И., Кара- сев П.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2023. № 1. P. 74.
  20. Thompson A.P., Aktulga H.M., Berger R., Bolintinea-nu D.S., Brown W.M., Crozier P.S., in't Veld P.J., Kohlmeyer A., Moore S.G., Nguyen T.D., Shan R., Stevens M.J., Tranchida J., Trott C., Plimpton S.J. // Comp. Phys. Commun. 2022. V. 271. P. 10817. https://www.doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108171
  21. Ziegler J.F., Biersack J.P. The Stopping and Range of Ions in Matter // Treatise on Heavy-Ion Science / Ed. Bromley D.A. Boston: Springer, 1985. P. 93. https://www.doi.org/10.1007/978-1-4615-8103-1_3
  22. Karasev K., Strizhkin D., Karaseov P. // IEEE Xplore Proceed. of the 2022 Int. Conf. on Electrical Engineering and Photonics, EExPolytech 2022. P. 242. https://www.doi.org/10.1109/EExPolytech56308. 2022.9950888
  23. Berendsen H.J.C., Postma J.P.M., van Gunsteren W.F., DiNola A., Haak J.R. // J. Chem. Phys. 1984. V. 81. P. 3684. https://www.doi.org/10.1063/1.448118
  24. Krantzman K.D., Garrison B.J. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2009. V. 267. P. 652. https://www.doi.org/10.1016/j.nimb.2008.11.055
  25. Бериш Р. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. М.: Мир, 1984. 336 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Средняя глубина кратера (а) и высота бруствера (б) на поверхности кристалла кремния в зависимости от начальной энергии иона С60 при температурах 0 (1, 2) и 1000 К (3, 4). Сравнение для потенциалов взаимодействия Airebo (1, 3) и Tersoff (2, 4).

Скачать (124KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Среднее значение радиальной координаты атомов углерода в зависимости от начальной энергии иона С60 при температурах 0 (1, 2) и 1000 К (3, 4) и потенциалов взаимодействия Airebo (1, 3) и Tersoff (2, 4).

Скачать (77KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Среднее количество распыленных атомов кремния (1–4) и углерода (1 ′–4 ′) при температурах 0 (1, 1 ′, 2, 2 ′) и 1000 К (3, 3 ′, 4, 4 ′) и потенциалах взаимодействия Airebo (1, 1′, 3, 3 ′) и Tersoff (2, 2 ′, 4, 4 ′).

Скачать (115KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Поперечный срез кристалла кремния толщиной 20 Å после последовательного падения на его поверхность 30 молекул С60 с энергией 2, 8 и 14 кэВ. Атомы Si светлые, атомы C темные.

Скачать (125KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Общее количество распыленных атомов при последовательном падении ионов С60 на поверхность кристалла кремния для энергии 8 (1, 2) и 14 кэВ (3, 4) и потенциалов Tersoff (1, 3) и Aire- bo (2, 4). Каждые 10 упавших ионов эквиваленты флуенсу 3.4 × 1013 см–2.

Скачать (75KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024