РАЗДЕЛ 2
МЕТОДЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.
Начиная с 60-х годов 20 века развитие вычислительной техники привело к интенсивному использованию методов компьютерного моделирования процессов, происходящих в твердых телах [135-140]. Компьютерное моделирование внесло значительный вклад в понимание физических процессов образования точечных, линейных и объемных дефектов кристаллической решетки, процессов взаимодействия примесей с границами зерен, кинетику фазовых переходов и пр.
Атомно-ионные потоки, взаимодействуя с поверхностью материала, вызывают целую цепь взаимосвязанных физических явлений, характеризуемых различными пространственными и временными масштабами. В таблице 2.1 приведены время и размеры, характеризующие различные процессы, происходящих в приповерхностных слоях материалов под воздействием атомно-ионных потоков. Как видно из таблицы, процессы сорбции, создание каскадов атом-атомных столкновений, миграции адатомов по поверхности, диффузии дефектов в объеме твердого тела имеют существенно различный временной масштаб протекания. Из-за этого существенного различия в компьютерных исследованиях необходимо использовать различные методы моделирования. Область применимости каждой из моделей так же определяется энергией протекающих процессов. На рис. 2.1 приведена энергетическая диаграмма различных процессов, происходящих в твердых телах под воздействием атомно-ионных потоков. Как следует из рисунка, область исследования затрагивает широкий диапазон энергий от сотых долей эВ до нескольких десятков кэВ. Это определяет выбор основных применяемых в диссертационной работе методов моделирования. Это методы парных столкновений, молекулярной динамики, Монте-Карло и численного решения систем диффузионных уравнений.
Таблица 2.1. Основные физические процессы и явления, протекающие в приповерхностных слоях под воздействием атомно-ионных потоков.
Физические процессыВремя (с)Размеры
(см)ЯвленияКаскады атом-атомных столкновенийОбразование поврежденной зоны, распыление, имплантацияСорбцияОбразование адатомов, хим. активных центровПоверхностная диффузияИзменение рельефа поверхности, образование островковых структурОбъемная диффузияУпрочнение, образование фазФормирование протяженных дефектов, выделений фазПористость, разрушение, коррозия
Кратко охарактеризуем компьютерные модели, используемые для описания изменения структуры поверхности и химического состава поверхности.
В настоящее время известно два основных подхода к моделированию явлений образования точечных дефектов в приповерхностных слоях под воздействием ионов, а так же распыления и отражения ионов. Это компьютерные программы, использующие приближение парных столкновений (ППС) и метод молекулярной динамики (ММД) [135,137, 141-149]. Оба метода достаточно успешно использовались при исследовании дефектообразования в материалах.
В ППС взаимодействие движущейся частицы с атомами мишени представляют как последовательность парных столкновений отдельных атомов. Каскады моделируемых атом-атомных столкновений могут происходить как в аморфном, так и в кристаллическом материале. Атомы характеризуются их типом и координатами. Межатомное взаимодействие определяется только энергией связи. Процессы многоатомного взаимодействия в данной модели не рассматриваются. Благодаря упрощенной модели твердого тела, ППС достаточно успешно использовалось для моделирования процессов дефектообразования как в металлах, так и в химических соединениях [150-152]. В то же время отсутствие в ППС процессов релаксации и диффузии дефектов ограничивает применимость этой модели временами 10-13 с.
Рис. 2.1 Характерные энергии протекания различных физических процессов при воздействии на поверхность атомно-ионных потоков.
Эффективным методом расчета процессов диффузии, сорбции, образования новых фаз и пр. является метод Монте-Карло. Кинетический метод Монте-Карло (КММК) используется как эффективный алгоритм исследования процессов объемной и поверхностной диффузии дефектов. В то же время, образование этих дефектов и их начальное распределение выходит за рамки этого метода. Так, для исследования диффузии радиационных дефектов нужны их начальные распределения, которые могут быть получены с помощью программ ППС или ММД.
Образование структуры приповерхностной области при осаждении атомных потоков в КММК рассматривается как случайный процесс, состоящий из цепи различных событий, таких как диффузионный скачок адатома по плоской поверхности, переход между терассами, присоединение атома к террасе и др. КММК оперирует вероятностями таких элементарных процессов. Для вычисления этих вероятностей необходимо знать такие величины как энергия активации диффузии адатомов, частота атомных колебаний в седловой точке, энергия связи атомов со ступенькой на терассе, энергия десорбции и др. Эти величины являются входными параметрами и не могут быть определены в КММК. Однако, они могут быть вычислены, используя метод молекулярной динамики.
Метод молекулярной динамики (ММД) основан на решении уравнений движения для каждого иона или атома исследуемого объекта и лишен недостатков, присущих ППС и КММК, так как в нем учитываются все процессы многоатомного взаимодействия. В то же время широкое применение метода молекулярной динамики для прямого исследования образования поверхностных слоев ограничивается существующими вычислительными возможностями. Поэтому до настоящего времени ММД применялся в основном для компьютерного моделирования осаждения пленок в двухмерном случае [67-72, 130]. Вычислительные возможности современных компьютеров ограничивают рассмотрение ансамблей атомов в несколько десятков тысяч на протяжении нескольких наносекунд. Для исследования более длительных временных периодов используются методы КММК или численного решения систем диффузионных уравнений.
То, что изменение структуры и химического состава поверхн
- Київ+380960830922