GaP ва муз монокристалларининг сиртини Ne+ ва Ar+ ионлари билан бомбардимон қилганда ионларнинг сочилишини ва сиртни кластер кўринишида чангланишини компьютерда моделлаштириш

АКАДЕМИЯ

НАУК

РЕСПУБЛИКИ

УЗБЕКИСТАН

ИНСТИТУТ

ЭЛЕКТРОНИКИ

им

.

У

.

А

.

Арифова

На

правах

рукописи

УДК

537.534

КУТЛИЕВ

УЧКУН

ОТОБОЕВИЧ

КОМПЬЮТЕРНОЕ

МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПРОЦЕССОВ

РАССЕЯНИЯ

ИОНОВ

И

КЛАСТЕРНОГО

РАСПЫЛЕНИЯ

ПОВЕРХНОСТЕЙ

МОНОКРИСТАЛЛОВ

GaP

И

ЛЬДА

ПРИ

БОМБАРДИРОВКЕ

ИОНАМИ

Ne

+

И

Ar

+

01.04.04

–

Физическая

электроника

А

В

Т

О

Р

Е

Ф

Е

Р

А

Т

диссертации

на

соискание

ученой

степени

доктора

физико

-

математических

наук

ТАШКЕНТ

– 2010

2

Работа

выполнена

в

Институте

электроники

им

.

У

.

А

.

Арифова

и

Ургенческом

Государственном

университете

им

.

Аль

-

Хорезми

Министерства

высшего

и

среднего

специального

образования

Республики

Узбекистан

.

Научный

консультант

Академик

АН

РУз

,

доктор

физ

.-

мат

.

наук

Тураев

Назар

Юлдашевич

Официальные

оппоненты

:

Академик

АН

РУз

,

доктор

физ

.-

мат

.

наук

Раджабов

Тельман

Дадаевич

Доктор

физ

.-

мат

.

наук

Балтенков

Аркадий

Сергеевич

Доктор

физ

.-

мат

.

наук

,

профессор

Кремков

Михаил

Витальевич

Ведущая

организация

Ташкентский

Государственный

технический

университет

За

Защита

состоится

«_21» _

декабря

___ 2010

года

в

_____

часов

на

заседании

Объединенного

специализированного

совета

Д

.015.23.01

при

Институте

электроники

им

.

У

.

А

.

Арифова

АН

РУз

и

Институте

ядерной

физики

АН

РУз

по

адресу

: 100125,

г

.

Ташкент

,

ГСП

,

Академгородок

,

ул

.

Дурмон

йўли

, 33.

Тел

.: (998-71) 262-79-40,

факс

: (998-71) 262-87-67, e-mail: aie@aie.uz

С

диссертацией

можно

ознакомиться

в

библиотеке

Института

электроники

им

.

У

.

А

.

Арифова

АН

РУз

.

Автореферат

разослан

«_5__» _

ноября

_____ 2010

г

.

Ученый

секретарь

Объединенного

специализированного

совета

,

доктор

физико

-

математических

наук

,

проф

.

И

.

Хидиров

3

ОБЩАЯ

ХАРАКТЕРИСТИКА

РАБОТЫ

Актуальность

работы

.

Одна

из

тенденций

развития

современных

технологий

состоит

в

возрастании

роли

поверхности

и

приповерхностных

областей

твердых

тел

.

Это

связано

с

тем

,

что

зачастую

такие

области

определяют

физико

-

химические

свойства

материалов

,

представляющих

наибольший

интерес

для

микроэлектроники

или

материаловедения

.

Поэтому

не

случайно

,

что

многие

технологии

,

например

,

ионная

имплантация

,

обработка

поверхности

импульсными

электронными

пучками

и

лазерами

,

приводят

к

модификации

именно

этих

областей

обрабатываемого

материала

.

Такие

области

можно

специально

создавать

посредством

нанесения

тонких

слоев

с

помощью

самых

разных

источников

.

В

значительной

степени

практическая

применимость

указанных

способов

обработки

материалов

стала

возможной

благодаря

развитию

специальной

группы

методов

анализа

,

среди

которых

важное

место

занимают

методы

,

основанные

на

исследовании

разнообразных

излучений

,

которые

возникают

в

объеме

материала

,

облученного

ускоренными

ионами

с

энергией

несколько

килоэлектронвольт

.

В

настоящее

время

имеется

множество

экспериментальных

данных

по

распылению

поверхности

однокомпонентных

веществ

,

и

разработан

ряд

моделей

распыления

монокристаллов

.

Иная

ситуация

в

случае

распыления

многокомпонентных

,

в

частности

двухкомпонентных

,

кристаллов

,

играющих

важную

роль

,

в

современной

наноэлектронике

и

микроэлектронике

.

Здесь

имеется

целый

ряд

нерешенных

проблем

,

связанных

,

в

том

числе

,

с

механизмами

распыления

тонких

пленок

и

с

закономерностями

распыления

этих

поверхностей

.

К

наименее

изученным

процессам

относятся

процессы

взаимодействия

ускоренных

ионов

с

поверхностью

твердых

тел

и

их

рассеяния

.

Исследование

закономерностей

этих

процессов

основано

на

анализе

формы

траекторий

бомбардирующих

частиц

,

движущихся

в

поверхностных

слоях

.

Формы

этих

траекторий

достаточно

сложны

даже

для

идеальных

кристаллов

,

так

как

они

определяются

большим

числом

коррелированных

столкновений

.

Задача

становится

еще

более

сложной

из

-

за

наличия

в

реальных

мишенях

различных

дефектов

на

поверхности

многокомпонентных

кристаллов

,

а

также

из

-

за

изменения

бомбардируемой

мишени

со

временем

.

Очевидно

,

что

решение

этой

важной

задачи

,

требующей

громоздких

расчетов

,

невозможно

в

аналитическом

виде

,

и

поэтому

единственным

эффективным

способом

расчета

является

метод

компьютерного

моделирования

,

чему

и

посвящена

настоящая

диссертация

.

Степень

изученности

проблемы

.

К

настоящему

времени

имеется

достаточно

много

экспериментальных

данных

по

рассеянию

ионов

поверхностями

однокомпонентных

монокристаллов

и

распылению

последних

при

ионной

бомбардировке

.

Разработаны

также

и

различные

теории

этих

физических

процессов

.

4

В

настоящее

время

метод

компьютерного

моделирования

широко

используется

при

изучении

механизмов

и

закономерностей

процессов

рассеяния

ионов

,

распыления

поверхностей

,

подвергнутых

ионному

облучению

.

Следует

отметить

,

что

для

выявления

особенностей

малоуглового

рассеяния

ионов

низких

энергий

(

1,0-5,0

кэВ

)

идеальными

и

дефектными

поверхностями

двухкомпонентных

монокристаллов

GaP

и

льда

,

а

также

эффекты

деканалирования

,

многократной

фокусировки

в

каналах

,

протекающие

в

приповерхностной

области

,

еще

достаточно

не

изучены

и

соответственно

требуют

своего

совершенствования

существующие

программы

и

алгоритмы

компьютерного

моделирования

.

Наряду

с

этим

,

также

закономерности

процесса

распыления

плёнок

льда

,

покрывающих

металлическую

поверхность

,

при

малых

энергиях

бомбардирующих

частиц

еще

далеки

до

полного

понимания

.

Связь

диссертационной

работы

с

тематическими

планами

НИР

.

Диссертационная

работа

выполнена

в

соответствии

с

основным

направлением

фундаментальных

исследований

УрГУ

и

в

тесной

связи

с

направлениями

фундаментальных

исследований

:

ИЭ

АН

РУз

в

2003-2007 (

номер

гос

.

регистрации

темы

ГНТП

Ф

-

2.1.29);

Международных

грантов

:

ИНТАС

(2001/2-60) 2001-2002

гг

.

по

теме

«

Исследования

закономерностей

распыления

многокомпонентных

монокристаллов

в

виде

кластеров

при

бомбардировке

энергетическими

частицами

»;

Пенсильванского

университета

(Air Force Office of Scientific Research

Grant Number F49620-01-1-0511) 2002-2003

гг

.

по

теме

«

Моделирования

процесса

взаимодействия

ионов

с

биологическими

материалами

(

вода

.

т

.

п

)»;

Венского

Технологического

университета

2003-2004

гг

.

по

теме

«

Изучения

механизмов

взаимодействия

нейтральных

и

заряженных

частиц

с

веществом

»;

Кембриджского

университета

2004-2005

гг

по

теме

«

Исследования

закономерностей

рассеяния

ионов

с

поверхности

многокомпонентных

монокристаллов

и

распыления

этих

поверхностей

при

ионном

облучении

».

Цель

работы

:

Установление

методом

компьютерного

моделирования

механизмов

и

закономерностей

процессов

малоуглового

рассеяния

ионов

идеальными

и

дефектными

поверхностями

двухкомпонентных

монокристаллов

GaP

и

пленок

льда

и

кластерного

распыления

плёнок

льда

,

покрывающих

поверхности

Au(111)

.

Задачи

исследования

:

1.

Обобщить

и

модифицировать

алгоритмы

и

программы

компьютерного

моделирования

,

базирующиеся

на

методе

парных

столкновений

,

для

исследования

процессов

рассеяния

ионов

поверхностями

монокристаллов

GaP(100)

и

пленок

льда

,

а

также

адаптировать

программы

метода

молекулярной

динамики

для

изучения

процессов

распыления

при

ионной

бомбардировке

пленок

льда

,

покрывающих

поверхность

Au(111)

.

5

2.

Исследование

механизмов

рассеяния

ионов

при

бомбардировке

идеальных

дефектных

поверхностей

монокристаллов

GaP(100)

и

пленок

льда

при

малоугловом

падении

потока

ионов

и

установление

наиболее

характерных

траекторий

,

объясняющих

сущность

малоуглового

рассеяния

ионов

.

3.

Изучение

ориентационных

эффектов

при

малоугловом

рассеяния

ионов

дефектными

поверхностями

двухкомпонентных

монокристаллов

GaP(100)

и

пленок

льда

при

бомбардировке

их

низкоэнергетическими

ионами

(

до

5

кэВ

).

4.

Изучение

процесса

деканалирования

ионов

,

наблюдаемого

при

малоугловом

рассеяния

ионов

идеальными

и

дефектными

поверхностями

GaP(100)

и

пленок

льда

,

а

также

расчет

типичных

траекторий

деканалированных

частиц

.

Установление

взаимосвязи

между

местоположением

дефектов

в

кристалле

и

энергетическими

и

угловыми

распределениями

деканалированных

ионов

.

5.

Исследование

процессов

распыления

поверхностей

плёнок

льда

,

покрывающих

поверхность

Au(111,)

и

процессов

образования

кластеров

молекул

и

атомов

подложки

при

ионной

бомбардировке

.

6.

Изучение

и

установление

закономерностей

процессов

распыления

в

виде

ионных

кластеров

молекул

воды

при

бомбардировке

плёнки

льда

,

адсорбированных

на

поверхность

Au(111),

и

легированные

отрицательными

и

положительными

ионами

.

7.

Установление

закономерностей

распыления

ионных

кластеров

при

бомбардировке

ионами

Ar

+

плёнок

льда

,

покрывающих

поверхность

Au(111)

.

Объект

исследования

:

Объектом

исследования

являются

закономерности

распыления

и

рассеяния

ионов

при

бомбардировке

поверхности

монокристалла

ионным

пучком

.

Предмет

исследования

:

Предметом

исследования

являются

компьютерное

моделирование

закономерностей

рассеяния

ионов

идеальных

и

дефектных

поверхностей

монокристаллов

GaP(100)

и

льда

,

а

также

распыления

плёнки

льда

,

покрытой

на

поверхности

Au(111)

.

Методы

исследования

:

Компьютерное

моделирование

,

основанное

на

методах

молекулярной

динамики

и

приближений

парных

столкновений

.

Приближение

парных

столкновений

используется

для

описания

процессов

рассеяния

ионов

поверхностью

двухкомпонентных

монокристаллов

GaP(100)

и

льда

,

а

метод

молекулярной

динамики

применяется

для

изучения

распыления

плёнки

льда

,

покрытой

на

поверхности

Au(111)

.

Гипотеза

исследования

.

Разработка

и

создания

программ

и

алгоритмов

,

основанных

на

методах

молекулярной

динамики

и

приближении

парных

столкновений

,

позволяющих

изучать

процессы

рассеяния

ионов

и

явление

распыления

поверхностей

многокомпонентных

монокристаллов

при

ионной

бомбардировке

.

6

Разработка

новых

методов

регистрации

спектров

рассеянных

и

распыленных

частиц

,

позволяющие

получать

важную

информацию

о

невыясненных

до

настоящего

времени

механизмах

процессов

рассеяния

и

распыления

.

Основные

положения

,

выносимые

на

защиту

:

1.

Разработанные

и

модифицированные

алгоритмы

,

и

компьютерные

программы

,

основанные

на

методах

приближения

парных

столкновений

;

позволяющие

моделировать

процессы

многократного

рассеяния

и

деканалирования

ионов

низких

энергий

(

1,0-5,0

кэВ

)

при

малоугловом

падений

ионов

Ne

+

и

Ar

+

на

поверхностный

блок

атомов

GaP(100)

и

льда

с

идеальной

и

дефектной

структурой

,

и

молекулярной

динамики

;

позволяющие

моделировать

процессы

молекулярного

и

кластерного

распыления

пленок

льда

с

учетом

полярности

,

при

ионной

бомбардировке

ионами

Ar

+

низких

энергий

(

0,1-1,0

кэВ

)

поверхности

Au(111)

с

адсорбированными

пленками

льда

.

2.

Установленные

многофокусные

,

зигзагообразные

,

а

также

их

комбинационные

траектории

рассеянных

частиц

идеальными

и

дефектными

поверхностями

монокристаллов

GaP(100)

и

льда

при

малых

углах

падения

частиц

.

Вывод

о

том

,

что

наряду

с

отраженными

частицами

поверхностной

атомной

цепочки

и

полуканала

,

существуют

отраженные

ионы

,

которые

многократно

рассеянные

в

приповерхностных

атомных

рядах

.

Траектории

этих

частиц

имеют

не

только

зигзагообразную

,

но

и

сложную

форму

,

которые

имеют

больше

двух

фокусов

-

называемые

эффектом

многократной

фокусировки

частиц

внутри

кристалла

и

этот

эффект

можно

использовать

для

измерения

межатомных

потенциалов

в

твердых

телах

.

3.

Утверждение

о

том

,

что

при

малоугловой

бомбардировке

часть

падающих

ионов

Ne

+

и

Ar

+

захватываются

в

каналы

,

образованные

дефектами

приповерхностной

области

монокристаллов

GaP(100)

и

льда

,

и

имеют

угол

рассеяния

вплоть

до

180

0

.

Вывод

о

том

,

что

увеличения

деканалирования

ионов

обусловлены

точечными

дефектами

,

локализованными

в

приповерхностной

области

монокристаллов

,

а

уменьшения

концентрации

дефектов

ниже

приповерхностной

области

(

более

50

слоев

)

приводит

к

увеличению

числа

каналированных

ионов

с

зигзагообразной

траекторией

,

и

они

локализуются

в

кристалле

,

так

как

их

энергия

не

достаточно

для

отражения

с

кристалла

.

Определены

энергии

,

пробеги

,

потерь

энергии

деканалированных

частиц

приповерхностной

области

двухкомпонентных

монокристаллов

.

4.

Рассчитанные

коэффициенты

рассеяния

имеют

большие

значения

при

эффектах

ионной

фокусировки

и

ионной

перефокусировки

.

Снижения

коэффициента

рассеяния

,

наблюдаемые

в

приповерхностной

области

монокристаллов

,

обусловлены

эффектами

деканалирования

и

многократной

фокусировкой

,

а

также

скоплением

внутри

кристалла

части

7

бомбардирующих

частиц

,

которая

даёт

возможность

определить

величины

заряда

ионов

в

кристаллах

.

5.

Заключение

о

том

,

что

при

низких

энергиях

бомбардирующих

ионов

(

меньше

1

кэВ

)

наблюдается

распыление

плёнки

льда

,

тогда

как

с

увеличением

начальной

энергии

(

больше

600

эВ

)

в

процесс

распыления

включаются

атомы

подложки

,

что

отчётливо

наблюдается

в

масс

-

спектрах

распылённых

частиц

.

6.

Методика

имплантации

положительных

и

отрицательных

(

Na

+

,Li

+

,

Cs

+

, F

-

, I

-

,

и

Cl

-

)

ионов

на

плёнку

льда

,

покрывающего

поверхность

Au(111)

,

которая

основана

на

образовании

ионных

связей

за

счёт

поляризации

ионов

и

молекул

воды

.

Вывод

о

том

,

что

имплантированные

ионы

поляризуют

молекулы

воды

,

и

в

процессе

распыления

их

расположение

в

кристалле

сильно

влияет

на

образование

ионных

кластеров

.

7.

Комплекс

масс

-

спектров

,

полученных

при

ионной

бомбардировке

поверхностей

с

тонкими

плёнками

льда

,

содержащих

несколько

интенсивных

пиков

,

образованных

за

счёт

распыления

молекул

и

кластеров

воды

,

атомов

и

кластеров

золота

,

а

также

ионного

кластера

,

образованного

за

счет

полярности

льда

.

Вывод

о

том

,

что

существует

конкретное

значения

начальной

энергии

по

распылению

атомов

подложки

для

каждого

адсорбированного

слоя

воды

.

Научная

новизна

:

1.

Разработаны

и

модифицированы

алгоритмы

и

пакет

компьютерных

программ

,

основанные

на

методах

приближения

парных

столкновений

и

молекулярной

динамики

,

дающие

возможность

компьютерного

моделирования

процессов

рассеяния

ионов

идеальными

и

нерегулярными

поверхностями

кристаллов

GaP(100)

и

льда

,

а

также

процессы

кластерного

распыления

пленок

льда

на

поверхности

Au(111)

(

с

учетом

полярности

льда

)

при

ионной

бомбардировке

.

2.

Обнаружена

и

изучена

многофокусная

(

до

30-

и

фокусов

)

траектория

рассеянных

ионов

Ne

+

и

Ar

+

в

приповерхностной

области

дефектных

монокристаллов

GaP(100)

и

льда

.

Показано

,

что

чем

глубже

проникают

падающие

частицы

,

тем

больше

наблюдается

увеличение

числа

фокусов

в

траектории

,

обусловленных

многократных

рассеяниями

ионов

атомных

слоев

при

поверхности

монокристаллов

.

3.

Обнаружен

эффект

деканалирования

ионов

на

дефектной

поверхности

двухкомпонентных

монокристаллов

GaP(100)

и

льда

при

малых

углах

падений

ионов

Ne

+

и

Ar

+

.

Показано

,

что

отражения

частиц

на

большие

углы

(

вплоть

до

180

0

)

с

приповерхностных

слоев

(

до

50

слоев

)

можно

объяснить

деканалированием

ионов

за

счёт

дефектов

,

локализованных

в

этой

области

кристалла

.

Установлено

,

что

эффект

деканалирования

зависит

от

угла

захвата

и

ширины

канала

.

Траекторий

деканалированных

ионов

имеют

зигзагообразную

и

многофокусную

форму

с

нарастающей

частотой

и

амплитудой

.

Уменьшение

частоты

и

амплитуды

траекторий

ионов

8

приводит

к

скоплению

их

в

приповерхностной

области

мишени

.

Определены

пробеги

,

коэффициент

столкновения

,

потерь

энергии

и

угол

рассеяния

каждого

деканалированного

иона

.

4.

Показано

,

что

при

нормальном

падении

ионов

Ar

+

на

поверхность

Au(111)

,

покрытых

плёнкой

льда

,

наблюдается

распыление

молекул

воды

в

диапазоне

значении

начальной

энергии

Е

0

=100

эВ

÷ 200

эВ

.

Увеличение

энергии

падающих

частиц

от

этого

значения

приводит

к

распылению

молекулярных

кластеров

воды

.

5.

Установлено

,

что

коэффициент

распыления

ионных

кластеров

с

поверхности

льда

при

бомбардировке

ионами

Ar

+

увеличивается

в

том

случае

,

когда

на

поверхность

имплантированы

положительные

ионы

Na

+

,Li

+

и

Cs

+

.

Показано

,

что

при

распылении

пленки

льда

с

отрицательно

заряженными

ионами

F

-

, I

-

и

Cl

-

коэффициент

распыления

ионных

кластеров

уменьшается

в

10

раз

.

6.

Установлено

,

что

при

бомбардировке

ионами

Ar

+

поверхности

Au(111)

,

покрытой

плёнкой

льда

,

имеющей

имплантированные

ионы

Na

+

,Li

+

,Cs

+

,F

-

,I

-

и

Cl

-

,

происходит

распыление

в

виде

больших

молекулярных

кластеров

,

размеры

которых

зависят

от

глубины

расположения

легированного

иона

,

причём

их

образование

происходит

,

в

основном

,

за

счёт

поляризаций

ионов

.

7.

Показано

,

что

при

бомбардировке

ионами

Ar

+

с

начальной

энергией

400

эВ

и

700

эВ

поверхности

идеальной

и

имплантированной

ионами

плёнки

льда

,

покрывающей

поверхность

Au(111)

несколькими

слоями

,

образуются

молекулярные

кластеры

воды

с

энергией

1

эВ

,

и

это

приводит

к

появлению

интенсивного

пика

в

этой

области

распределении

кинетической

энергии

распыленных

частиц

.

Научная

значимость

результатов

исследования

.

Научная

значимость

полученных

результатов

заключается

в

том

,

что

они

позволяют

получить

детальную

картину

процессов

распыления

и

рассеяния

,

а

также

выявить

специфику

и

отличительные

особенности

этих

процессов

в

условиях

малоугловой

ионной

бомбардировки

,

т

.

е

.,

в

условиях

,

когда

значительная

часть

отраженных

частиц

формируется

рассеянием

в

поверхностных

полуканалах

,

а

распыленный

поток

формируется

преимущественно

за

счет

выбитых

и

десорбированных

атомов

.

Результаты

позволяют

определить

характерные

особенности

процесса

рассеяния

ионов

идеальной

и

дефектной

поверхностями

кристаллов

;

установить

закономерности

процессов

распыления

многокомпонентных

мишеней

,

установить

основные

причины

образования

ионных

кластеров

.

Практическая

значимость

результатов

работы

заключается

в

том

,

что

предложенные

на

их

основе

методы

ионного

легирования

в

условиях

скользящего

угла

падения

ионов

,

а

также

новые

разновидности

малоугловой

ионно

-

рассеивательной

спектроскопии

могут

быть

использованы

при

решении

разнообразных

задач

технологий

,

связанных

с

применением

ионно

-

9

пучковых

методов

.

Предложенные

методы

позволяют

определять

местоположение

легированных

ионов

на

поверхности

кристалла

.

Полученные

результаты

могут

быть

полезными

также

для

интерпретации

соответствующих

экспериментальных

данных

.

Созданный

комплекс

эффективных

расчётных

программ

на

основе

усовершенствованных

алгоритмов

может

быть

использован

как

для

диагностики

поверхностей

,

покрытых

диэлектрическими

плёнками

,

так

и

при

усовершенствовании

технологических

процессов

,

связанных

с

модификацией

поверхности

твердого

тела

ионными

пучками

.

Результаты

исследований

могут

быть

применены

для

решения

ряда

прикладных

задач

очистки

и

легирования

приповерхностных

слоев

твердых

тел

.

Реализация

результатов

работы

.

Новые

научные

положения

и

выводы

,

представленные

автором

на

защиту

,

являются

крупным

вкладом

в

существующие

теоретические

представления

о

процессах

малоуглового

рассеяния

ионов

идеальными

и

дефектными

многокомпонентными

материалами

,

и

о

процессах

распыления

диэлектрических

плёнок

.

Они

являются

также

научной

основой

для

разработки

новых

методов

диагностики

поверхности

:

малоугловой

ионно

-

рассеивательной

спектроскопии

и

вторично

-

ионной

масс

-

спектрометрии

распыленных

частиц

в

виде

ионных

кластеров

,

позволяющих

,

в

отличие

от

существующих

,

определять

сорт

и

местоположение

легированных

ионов

.

Они

также

могут

быть

использованы

в

качестве

теоретического

учебного

материала

при

подготовке

специалистов

в

области

физической

электроники

,

микроэлектроники

и

нанотехнологии

.

Апробация

работы

.

Основные

результаты

диссертации

докладывались

и

обсуждались

на

XV-XI

Х

Международных

Конференциях

по

взаимодействию

атомных

частиц

с

твердым

телом

(

Звенигород

, 2001, 2003,

2005, 2007, 2009); XXVIII-XXXII-

ХХХ

IV

ежегодных

Международных

Конференциях

по

физике

взаимодействия

заряженных

частиц

с

кристаллами

(

Москва

, 1998-2002-2004); VI

Международной

Конференции

по

компьютерному

моделированию

радиационных

эффектов

в

твердых

телах

(

Дрезден

,

Германия

, 2002);

ежегодных

совещаниях

Европейского

общества

по

исследованию

материалов

(

Страсбург

,

Франция

, 2001,2005); X

Международной

Конференции

по

явлениям

на

поверхности

твердых

тел

(

Бирмингем

,

Англия

, 1998);VII

Международной

Конференции

по

осцилляторам

в

прикладной

науки

и

технологии

(

Лондон

,

Англия

2001); XIII

и

XIV

Международных

Конференциях

по

ионно

-

имплантационной

технологии

(

Альбах

,

Австрия

, 2000,

Санта

-

Фе

,

США

, 2002); XI

Международной

Конференции

по

поверхности

твёрдых

тел

(

Сан

-

Франциско

,

США

, 2001), XII

Международной

конференции

по

микроскопии

полупроводниковых

материалов

(

Лондон

,

Англия

, 2001); XII-XIII

Международной

Конференции

по

фотонным

,

электронным

и

ионным

столкновениям

(

Санта

-

Фе

,

США

, 2001,

Стокгольм

,

Швеция

, 2003);

Европейской

Конференции

по

исследованию

поверхностей

и

межфазного

10

анализа

(

Вена

,

Австрия

, 2005); XIV

Международной

Конференции

по

вторично

-

ионной

масс

спектрометрии

(

Сан

-

Диего

,

США

, 2002), XIV

Международной

Конференции

по

ионно

-

пучковой

модификации

материалов

(

Монтерей

,

США

, 2002); IV-

Международной

Конференции

по

структуре

материалов

и

микромеханике

частиц

(

Брно

,

Чехия

, 2004); XXXII

Международной

Школе

по

радиационным

эффектам

в

твёрдых

телах

(

Эриче

,

Италия

, 2004); XXI

Международной

Конференции

по

атомным

столкновениям

в

твёрдых

телах

(

Генуя

,

Италия

, 2004); VI

Международной

Конференции

по

проблемам

ядерной

физики

(

Ташкент

, 2006),

Международной

Конференции

по

магнитным

и

сверхпроводимым

материалам

(

Хива

, 2007); XVI

Международной

Конференции

по

модификации

поверхности

металлов

ионными

пучками

(

Дрезден

,

Германия

,

2008);

Международной

Конференции

по

теоретической

физике

(

Дубна

,

Москва

, 2008); I-V

Республиканских

(

с

участием

зарубежных

ученых

)

Конференциях

по

физической

электронике

(

Ташкент

, 1995, 1999, 2002, 2005,

2009);

Международных

Конференциях

по

современным

проблемам

ядерной

физики

(

Ташкент

, 2006, 2009);

научных

семинарах

кафедры

«

Физики

»

Ургенчского

госуниверситета

(

Ургенч

, 2000-2010);

лаборатории

«

Теории

взаимодействия

заряженных

частиц

с

поверхностью

тела

»

Института

электроники

АН

РУз

(1999-2009).

Опубликованность

результатов

.

По

теме

диссертации

опубликовано

57

научных

работ

,

из

них

14

статей

в

Международных

и

отечественных

научных

журналах

, 10

статей

в

трудах

Международных

Конференций

, 33

тезиса

докладов

в

трудах

научных

Конференций

,

Симпозиумов

и

семинаров

.

Список

основных

работ

по

материалам

диссертации

приведен

в

конце

автореферата

.

Структура

и

объём

работы

.

Структура

и

объём

работы

.

Диссертация

состоит

из

введения

,

шести

глав

,

заключения

с

выводами

и

приложениями

.

Она

изложена

на

296

страницах

и

включает

:

основную

часть

– 166

страниц

,

в

т

.

ч

. 108

рисунков

на

79

страницах

,

список

литературы

258

наименований

на

26

страницах

,

список

опубликованных

работ

по

материалам

диссертации

на

7

страницах

и

приложения

на

18

страницах

.

Вклад

автора

в

разработку

решения

проблемы

.

Представленные

результаты

в

диссертации

получены

непосредственно

автором

.

Автор

участвовал

в

постановке

задачи

исследований

,

им

развиты

структура

библиотеки

подпрограмм

,

разработаны

итерационные

алгоритмы

и

компьютерные

программы

,

получены

основные

результаты

,

сформулированы

выводы

.

Таким

образом

,

личный

вклад

соискателя

в

диссертационную

работу

и

получение

научных

результатов

,

которые

выносятся

на

защиту

,

является

определяющим

.

В

постановке

ряда

задач

исследований

и

обсуждении

результатов

приняли

участие

научный

консультант

акад

.

Н

.

Ю

.

Тураев

,

а

также

проф

.

Ф

.

Ф

.

Умаров

,

проф

.

А

.

А

.

Джурахалов

и

к

.

ф

.-

м

.

н

.

И

.

А

.

Войцеховский

.

11

ОСНОВНОЕ

СОДЕРЖАНИЕ

РАБОТЫ

Во

введении

обосновывается

актуальность

выбранной

темы

исследований

,

ее

научное

и

практическое

значение

,

сформулированы

основные

положения

,

выносимые

на

защиту

,

научная

новизна

,

научная

и

практическая

значимость

полученных

результатов

.

В

первой

главе

представлен

обзор

результатов

теоретических

исследований

и

экспериментальных

данных

о

процессах

рассеяния

ионов

и

о

процессах

распыления

поверхности

многокомпонентных

кристаллов

.

Показано

,

что

ионно

-

рассеивательная

спектроскопия

даёт

важную

информацию

о

поверхности

твёрдого

тела

.

Обсуждается

применимость

метода

парных

столкновений

к

столкновениям

на

поверхности

кристалла

.

При

малых

значениях

энергий

ионно

-

атомные

столкновения

на

поверхности

твердого

тела

можно

рассматривать

как

изолированные

парные

столкновения

и

их

последовательности

.

Этот

вывод

основывается

на

рассмотрении

времени

взаимодействия

падающего

иона

и

атома

кристалла

,

а

также

энергий

,

характерных

для

таких

столкновений

.

Так

как

отталкивающая

составляющая

потенциала

быстро

уменьшается

с

увеличением

межатомного

расстояния

,

то

время

взаимодействия

для

таких

столкновений

составляет

величины

порядка

10

-15

-10

-16

с

,

что

гораздо

меньше

периода

колебаний

решетки

,

составляющего

примерно

10

-13

с

.

Поэтому

,

когда

энергия

,

передаваемая

в

процессе

столкновения

,

превышает

энергию

связи

атома

мишени

(5-20

эВ

),

этот

атом

можно

считать

изолированным

от

решетки

.

Приводятся

основные

соотношения

элементарного

акта

взаимодействия

двух

частиц

с

помощью

метода

парных

столкновений

.

Если

частица

массы

М

1

с

атомным

номером

Z

1

,

обладающая

скоростью

v

0

(

и

кинетической

энергией

E

0

),

упруго

сталкивается

с

покоящимся

атомом

мишени

массой

М

2

и

атомным

номером

Z

2

,

то

несложно

показать

,

что

налетающая

частица

рассеивается

в

лабораторной

системе

координат

на

угол

θ

1

по

отношению

к

направлению

ее

первоначального

движения

.

При

этом

атом

мишени

в

результате

столкновения

начинает

двигаться

в

направлении

,

составляющем

угол

θ

2

с

первоначальным

направлением

налетающей

частицы

.

Связь

этих

параметров

определяется

следующими

соотношениями

:

2

2

2

2

2

0

2

2

2

1

2

2

1

0

2

1

)

sin

)

(

(cos

)

1

(

)

sin

)

(

(cos

)

1

(

θ

θ

µ

θ

µ

θ

µ

−

±

+

=

−

±

+

=

−

−

f

E

E

f

E

E

Для

описания

ион

-

атомных

столкновений

использовались

потенциалы

Бирзака

-

Циглера

-

Литтмарка

[1]:

12

))

2616

,

0

exp(

02817

,

0

)

4029

,

0

exp(

2802

,

0

)

9423

,

0

exp(

5099

,

0

)

2

,

3

exp(

1818

,

0

((

2

2

1

a

r

a

r

a

r

a

r

r

e

Z

Z

V

SBL

−

+

−

+

+

−

+

−

=

где

,

а

=0,8853

а

0

(Z

1

0,23

+Z

2

0,23

) -

функция

экранирования

.

Что

же

касается

неупругой

потери

энергии

атомной

частицы

в

элементарном

акте

столкновения

,

то

она

определяется

формулой

Фирсова

,

модифицированной

Кишиневским

[1]:

)

)

(

68

,

0

1

(

)

)

(

67

,

0

1

(

)

)(

(

310

,

0

)

,

(

6

/

1

2

6

/

1

1

0

1

6

/

1

2

6

/

1

1

2

/

1

2

2

/

1

1

1

7

r

c

tf

E

r

V

Z

Z

a

r

Z

Z

Z

Z

Z

vZ

P

Eo

−

+

+

+

+

+

=

−

ε

где

, a

tf

= 0,468Å, v

и

E

r

-

относительная

скорость

и

энергия

атома

, Z

1

-

и

Z

2

–

заряд

сталкивающихся

ионов

и

атомов

, v -

см

/c,

Е

r

-

эВ

, r

min

-

в

ангстремах

.

В

обзоре

показано

,

что

значительная

часть

опубликованных

работ

посвящена

исследованию

рассеяния

ионов

дефектными

поверхностями

многокомпонентных

материалов

и

определению

энергий

ионной

фокусировки

.

Рассеяние

ионов

при

бомбардировке

под

малыми

углами

скольжения

можно

использовать

для

определения

чистой

и

дефектной

поверхности

.

Анализ

этих

работ

показывает

,

что

метод

ионно

-

рассеивательной

спектроскопии

достаточно

успешно

применяется

для

определения

атомных

ступенек

и

сорта

торцевых

атомов

,

находящихся

на

ступеньке

.

При

бомбардировке

в

условиях

ионной

фокусировки

падающие

частицы

движутся

параллельно

поверхности

,

не

проникая

вглубь

неё

.

При

малых

углах

рассеяния

имеются

методики

для

мониторинга

модификации

реальной

поверхности

.

На

основе

модели

полуканалов

объясняется

эффект

ионной

фокусировки

.

Ионы

,

проходящие

между

двумя

атомными

рядами

поверхности

,

фокусируются

на

дне

полуканала

.

Выведены

аналитические

выражения

для

определения

значений

энергии

фокусировки

.

Приведены

результаты

работ

,

в

которых

рассмотрено

рассеяние

ионов

средних

энергий

ступенчатой

поверхностью

многокомпонентных

монокристаллов

.

Приводятся

экспериментальные

и

теоретические

результаты

по

распылению

многокомпонентных

материалов

.

Обсуждаются

различные

методы

,

описывающие

процесс

распыления

при

ионной

бомбардировке

.

Показано

,

что

существует

много

экспериментальных

работ

,

посвященных

распылению

многокомпонентных

материалов

.

В

то

же

время

,

методу

молекулярной

динамики

для

процесса

распыления

многокомпонентных

13

материалов

посвящены

лишь

отдельные

публикации

.

Этот

важный

вопрос

находится

в

начальной

стадии

.

В

ряде

работ

исследовано

распыление

плёнок

в

виде

кластеров

.

Анализ

показал

,

что

существует

ряд

работ

,

посвящённых

изучению

динамики

кластеров

воды

.

Широкие

диагностические

возможности

этих

работ

требуют

их

дальнейшего

развития

.

Таким

образом

,

путем

анализа

литературных

данных

очерчен

круг

вопросов

,

требующих

своего

дальнейшего

развития

и

разработки

.

Во

второй

главе

описывается

модель

и

алгоритм

расчета

рассеяния

ионов

при

малых

углах

падения

на

поверхности

многокомпонентных

монокристаллов

,

а

также

излагаются

основы

метода

молекулярной

динамики

,

который

используется

для

исследования

распыления

поверхности

многокомпонентных

материалов

.

В

области

низких

энергий

траектории

сталкивающихся

частиц

определяются

в

первом

приближении

силами

упругого

взаимодействия

атомов

.

Это

кулоновские

силы

взаимодействия

ядер

и

электронов

атомов

.

Они

действуют

на

атомных

расстояниях

между

взаимодействующими

частицами

.

Следовательно

,

для

расчета

траектории

налетающего

иона

необходимо

рассмотреть

его

взаимодействие

с

совокупностью

атомов

кристаллической

решетки

одновременно

.

Однако

,

при

не

очень

низких

энергиях

столкновения

иона

с

атомом

кристалла

можно

ограничиться

рассмотрением

изолированных

парных

столкновений

частиц

.

Подтверждением

тому

,

что

атомы

решетки

свободны

при

столкновениях

,

т

.

е

.

ведут

себя

как

атомы

плотного

газа

,

служат

результаты

исследования

времени

взаимодействия

и

энергии

сталкивающихся

частиц

.

Для

дальнейшего

развития

математического

моделирования

процесса

рассеяния

ионов

средних

и

малых

энергий

в

широком

интервале

углов

падения

и

рассеяния

нами

использованы

закономерности

столкновения

двух

тяжелых

частиц

и

рассмотрено

рассеяние

пучка

ионов

от

поверхности

монокристаллического

образца

на

основе

модели

парных

одно

-,

двух

-,

и

т

.

д

.

многократных

соударений

.

Предполагается

,

что

частицы

движутся

между

столкновениями

вдоль

прямых

линий

,

которые

являются

асимптотами

путей

частицы

в

лабораторной

системе

координат

.

Неупругие

потери

полагаются

равными

сумме

локальных

и

нелокальных

потерь

.

Локальные

потери

определяют

по

формуле

Оена

-

Робинсона

[2].

Нелокальные

потери

энергии

ассоциируются

с

непрерывными

потерями

энергии

движушейся

частицы

и

полагаются

пропорциональными

скорости

частицы

.

Учет

локальных

и

нелокальных

потерь

может

быть

произведен

в

любых

соотношениях

.

Программа

MARLOWE [3]

позволяет

также

моделировать

взаимодействие

ионов

с

аморфными

и

поликристаллическими

твердыми

телами

.

Это

осушествляется

при

помощи

специальных

процедур

вращения

монокристаллического

блока

,

параметры

которого

являются

входными

данными

программы

.

Так

,

чтобы

14

моделировать

отражение

от

мишени

с

хаотическим

расположением

атомов

,

кристаллическую

мишень

после

каждого

столкновения

с

бомбардируюшей

частицей

поворачивают

по

случайному

закону

относительно

кристаллической

решетки

.

В

этой

главе

также

представлены

основы

метода

молекулярной

динамики

.

Молекулярная

динамика

(

МД

) -

это

техника

компьютерного

моделирования

,

позволяющая

проследить

за

эволюцией

системы

взаимодействующих

атомов

во

времени

с

помощью

интегрирования

уравнений

движения

.

Несомненным

преимуществом

метода

МД

является

возможность

моделирования

системы

при

заданной

температуре

или

при

заданных

скоростях

атомов

(

ионов

)

с

достаточно

высокой

скоростью

расчета

[4].

В

настоящее

время

МД

применяется

в

квантовой

химии

и

физике

твердого

тела

для

:

-

изучения

дефектов

в

кристаллах

,

варьирующихся

от

точечных

(

вакансии

,

дефекты

внедрения

)

до

линейных

(

дислокации

)

и

плоских

(

межфазные

,

междоменные

границы

и

т

.

д

.).

Для

расчета

подобных

структур

нужно

применять

метод

суперячеек

,

требующих

большого

количество

атомов

в

системе

;

-

реконструкции

поверхности

кристалла

,

связанной

с

перестройкой

координат

множества

атомов

на

поверхности

.

Последнюю

можно

описать

с

помощью

МД

,

причем

можно

проследить

за

изменением

поверхности

в

зависимости

от

температуры

;

-

изучения

кластеров

,

величина

которых

варьируется

от

нескольких

атомов

до

нескольких

тысяч

атомов

.

С

помощью

МД

в

основном

проводится

процедура

оптимизации

геометрии

кластера

;

-

изучения

биологических

молекул

(

белки

,

ДНК

,

РНК

и

др

.),

обладающих

низкой

симметрией

и

содержащих

огромное

количество

атомов

.

МД

в

этой

работе

используется

для

моделирования

микроскопического

движения

молекул

льда

,

локализованных

на

поверхности

металла

.

Основной

частью

МД

моделирования

являются

потенциалы

взаимодействия

,

которые

определяют

взаимодействия

атомов

[5].

Система

,

исследованная

в

работе

,

состоит

из

кристалла

Au

(111),

покрытого

слоями

воды

.

Допирующие

ионы

могут

располагаться

как

в

верхних

слоях

воды

,

так

и

внутри

пленки

воды

.

Для

описания

взаимодействия

пары

молекул

«

вода

-

вода

»

выбран

потенциал

SP

С

[6].

В

SPC

модели

,

потенциал

взаимодействия

определяется

электростатическим

взаимодействием

атомов

,

образующих

молекулу

Н

2

О

.

Для

описания

отталкивающей

части

потенциала

между

атомами

кислорода

был

выбран

потенциал

Ленарда

-

Джонса

[7]:

U

между

= U

Л

-

Ж

+U

электростатик

= 4

ζ

o

∑∑

=

=

+





























−















3

1

3

1

6

12

4

i

k

kl

jl

ik

ij

ij

r

q

q

r

r

πς

σ

σ