Cascada de colisión
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Para el escenario de colisiones entre objetos en órbita terrestre baja que producen reacciones en cadena de escombros que chocan con objetos adicionales que producen más escombros, consulte el síndrome de Kessler .
Una simulación por computadora de dinámica molecular clásica de una cascada de colisión en Au inducida por un autorretroceso de Au de 10 keV . Este es un caso típico de una cascada de colisión en el régimen de picos de calor. Cada pequeña esfera ilustra la posición de un átomo, en una sección transversal de 2 átomos de espesor de capa de una celda de simulación tridimensional. Los colores muestran (en una escala logarítmica) la energía cinética de los átomos, siendo el blanco y el rojo una alta energía cinética de 10 keV hacia abajo y el azul bajo.

Una cascada de colisión (también conocida como cascada de desplazamiento o pico de desplazamiento) es un conjunto de colisiones energéticas adyacentes cercanas (mucho más altas que las energías térmicas ordinarias) de átomos inducidas por una partícula energética en un sólido o líquido. [1] [2]

Si las energías máximas de átomos o iones en una cascada de colisión son más altas que la energía de desplazamiento umbral del material (decenas de eV o más), las colisiones pueden desplazar permanentemente los átomos de sus sitios de red y producir defectos . El átomo energético inicial puede ser, por ejemplo, un ión de un acelerador de partículas , un retroceso atómico producido por un neutrón , electrón o fotón de alta energía que pasa , o producirse cuando un núcleo radiactivo decae y le da al átomo una energía de retroceso.

La naturaleza de las cascadas de colisión puede variar mucho según la energía y la masa del ión de retroceso / entrante y la densidad del material ( potencia de frenado ).

Cascadas lineales

Ilustración esquemática de colisiones binarias independientes entre átomos

Cuando la masa de iones / retroceso inicial es baja, y el material donde ocurre la cascada tiene una densidad baja (es decir, la combinación de material de retroceso tiene un poder de frenado bajo ), las colisiones entre el retroceso inicial y los átomos de la muestra ocurren raramente, y pueden ser entendido bien como una secuencia de colisiones binarias independientes entre átomos. Este tipo de cascada se puede tratar teóricamente bien utilizando el enfoque de simulación de aproximación de colisión binaria (BCA). Por ejemplo, se puede esperar que los iones H y He con energías por debajo de 10 keV conduzcan a cascadas puramente lineales en todos los materiales.

Ilustración esquemática de una cascada de colisión lineal. La línea gruesa ilustra la posición de la superficie, y las líneas más delgadas las trayectorias de movimiento balístico de los átomos desde el principio hasta que se detienen en el material. El círculo púrpura es el ion entrante. Los círculos rojos, azules, verdes y amarillos ilustran retrocesos primarios, secundarios, terciarios y cuaternarios, respectivamente. Entre las colisiones balísticas, los iones se mueven en línea recta.

El código BCA SRIM [3] más comúnmente utilizado se puede utilizar para simular cascadas de colisión lineal en materiales desordenados para todos los iones en todos los materiales hasta energías iónicas de 1 GeV . Sin embargo, tenga en cuenta que SRIM no trata efectos como el daño debido a la deposición de energía electrónica o el daño producido por electrones excitados. Las potencias de frenado nucleares y electrónicas utilizadas se ajustan a la media de los experimentos y, por lo tanto, tampoco son perfectamente precisas. La potencia de frenado electrónica se puede incluir fácilmente en simulaciones de aproximación de colisión binaria [4] o dinámica molecular (MD). En las simulaciones MD se pueden incluir como fuerza de fricción [5] [6] [7][8] [9] [10] [11] [12] o de una manera más avanzada siguiendo también el calentamiento de los sistemas electrónicos y acoplando los grados de libertad electrónicos y atómicos. [13] [14] [15] Sin embargo, siguen existiendo incertidumbres sobre cuál es el límite apropiado de baja energía de la potencia de frenado electrónica o el acoplamiento electrón-fonón. [12] [16]

En cascadas lineales, el conjunto de retrocesos producidos en la muestra se puede describir como una secuencia de generaciones de retroceso dependiendo de cuántos pasos de colisión hayan pasado desde la colisión original: átomos de reacción primarios (PKA), átomos de reacción secundarios (SKA) , átomos terciarios knock-on (TKA), etc. Dado que es extremadamente improbable que toda la energía se transfiera a un átomo knock-on, cada generación de átomos de retroceso tiene en promedio menos energía que la anterior, y eventualmente el knock-on las energías de los átomos descienden por debajo del umbral de energía de desplazamiento para la producción de daños, momento en el que no se pueden producir más daños.

Picos de calor (picos térmicos)

Cuando el ion es lo suficientemente pesado y enérgico, y el material es denso, las colisiones entre los iones pueden ocurrir tan cerca unos de otros que no pueden considerarse independientes entre sí. En este caso, el proceso se convierte en un proceso complicado de interacciones de muchos cuerpos entre cientos y decenas de miles de átomos, que no se pueden tratar con el BCA, pero que se pueden modelar utilizando métodos de dinámica molecular . [1] [17]

Como arriba, pero en el medio, la región de colisiones se ha vuelto tan densa que ocurren múltiples colisiones simultáneamente, lo que se denomina pico de calor. En esta región, los iones se mueven en trayectorias complejas y no es posible distinguir el orden numérico de los retrocesos; por lo tanto, los átomos están coloreados con una mezcla de rojo y azul.

Normalmente, un pico de calor se caracteriza por la formación de una región transitoria subdensa en el centro de la cascada y una región sobredensa a su alrededor. [1] [18] Después de la cascada, la región sobredensa se convierte en defectos intersticiales y la región infradensa se convierte típicamente en una región de vacantes .

Si la energía cinética de los átomos en la región de colisiones densas se recalcula en temperatura (usando la ecuación básica E = 3/2 · N · k B T), se encuentra que la energía cinética en unidades de temperatura es inicialmente del orden de 10.000 K. Debido a esto, la región puede considerarse muy caliente y, por lo tanto, se denomina pico de calor o pico térmico (los dos términos generalmente se consideran equivalentes). El pico de calor se enfría a la temperatura ambiente en 1–100 ps, ​​por lo que la "temperatura" aquí no corresponde a la temperatura de equilibrio termodinámico. Sin embargo, se ha demostrado que después de aproximadamente 3 vibraciones de celosía, la distribución de energía cinética de los átomos en un pico de calor tiene la distribución de Maxwell-Boltzmann ,[19] justificando de alguna manera el uso del concepto de temperatura. Además, los experimentos han demostrado que un pico de calor puede inducir una transición de fase que se sabe que requiere una temperatura muy alta, [20] mostrando que el concepto de una temperatura (fuera de equilibrio) es de hecho útil para describir cascadas de colisión.

En muchos casos, la misma condición de irradiación es una combinación de cascadas lineales y picos de calor. Por ejemplo, los iones de Cu de 10 MeV que bombardean Cu se moverían inicialmente en la red en un régimen de cascada lineal, ya que la potencia de frenado nuclear es baja. Pero una vez que el ion Cu se ralentizara lo suficiente, la potencia de frenado nuclear aumentaría y se produciría un pico de calor. Además, muchos de los retrocesos primarios y secundarios de los iones entrantes probablemente tendrían energías en el rango de keV y, por lo tanto, producirían un pico de calor.

Por ejemplo, para la irradiación de cobre con cobre, es casi seguro que energías de retroceso de alrededor de 5–20 keV producirán picos de calor. [21] [22] A energías más bajas, la energía en cascada es demasiado baja para producir una zona similar a un líquido. A energías mucho más altas, los iones Cu probablemente conducirían inicialmente a una cascada lineal, pero los retrocesos podrían provocar picos de calor, al igual que el ion inicial una vez que se haya desacelerado lo suficiente. El concepto de energía de umbral de ruptura de subcascada significa la energía por encima de la cual es probable que un retroceso en un material produzca varios picos de calor aislados en lugar de uno solo denso.

Las animaciones basadas en simulación por computadora de cascadas de colisión en el régimen de picos de calor están disponibles en YouTube. [23]

Picos térmicos de iones pesados ​​rápidos

También se puede considerar que los iones pesados ​​rápidos , es decir, los iones pesados MeV y GeV que producen daño por una parada electrónica muy fuerte , producen picos térmicos [24] [25] en el sentido de que conducen a un fuerte calentamiento reticular y una zona atómica transitoria desordenada . Sin embargo, al menos la etapa inicial del daño podría entenderse mejor en términos de un mecanismo de explosión de Coulomb . [26] Independientemente de cuál sea el mecanismo de calentamiento, está bien establecido que los iones pesados ​​rápidos en los aislantes suelen producir pistas de iones que forman largas zonas de daño cilíndricas [24] [27] de densidad reducida. [28] [29]

Escala de tiempo

Para comprender la naturaleza de la cascada de colisiones, es muy importante conocer la escala de tiempo asociada. La fase balística de la cascada, cuando el ión / retroceso inicial y sus retrocesos primario y de orden inferior tienen energías muy por encima del umbral de energía de desplazamiento , suele durar entre 0,1 y 0,5 ps. Si se forma un pico de calor, puede vivir entre 1 y 100 ps hasta que la temperatura del pico se haya enfriado esencialmente a la temperatura ambiente. [30] El enfriamiento de la cascada ocurre a través de la conductividad del calor de la red y por la conductividad del calor electrónica después de que el subsistema iónico caliente ha calentado el electrónico a través del acoplamiento electrón-fonón.. Desafortunadamente, la tasa de acoplamiento electrón-fonón del sistema iónico caliente y desordenado no se conoce bien, ya que no puede tratarse de la misma manera que el proceso bastante conocido de transferencia de calor de electrones calientes a una estructura cristalina intacta. [31] Finalmente, la fase de relajación de la cascada, cuando los defectos formados posiblemente se recombinen y migren, puede durar desde unas pocas ps hasta infinitas veces, dependiendo del material, sus propiedades de migración y recombinación de defectos y la temperatura ambiente.

Efectos

Secuencia de imágenes del desarrollo temporal de una cascada de colisión en el régimen de picos de calor producidos por un ión Xe de 30 keV que impacta en Au en condiciones de canalización . La imagen se produce mediante una simulación de dinámica molecular clásica de una cascada de colisión. La imagen muestra una sección transversal de dos capas atómicas en medio de una celda de simulación tridimensional. Cada esfera ilustra la posición de un átomo y los colores muestran la energía cinética de cada átomo como lo indica la escala de la derecha. Al final, permanecen tanto los defectos puntuales como los bucles de dislocación .

Producción de daños

Dado que las energías cinéticas en una cascada pueden ser muy altas, pueden llevar al material localmente lejos del equilibrio termodinámico. Normalmente, esto da como resultado la producción de defectos . Los defectos pueden ser, por ejemplo, defectos puntuales como pares de Frenkel , bucles de dislocación ordenados o desordenados , fallas de apilamiento [32] o zonas amorfas . [33] La irradiación prolongada de muchos materiales puede conducir a su amorfización completa, un efecto que ocurre regularmente durante el dopado por implantación iónica de chips de silicio . [34]

La producción de defectos puede ser dañina, como en los reactores de fusión y fisión nuclear donde los neutrones degradan lentamente las propiedades mecánicas de los materiales, o un efecto de modificación de materiales útil y deseado, por ejemplo, cuando se introducen iones en estructuras de pozos cuánticos de semiconductores para acelerar el funcionamiento de un láser. [35] o para fortalecer los nanotubos de carbono. [36]

Una característica curiosa de las cascadas de colisión es que la cantidad final de daño producido puede ser mucho menor que el número de átomos inicialmente afectados por los picos de calor. Especialmente en metales puros, la producción de daño final después de la fase de pico de calor puede ser órdenes de magnitud menor que el número de átomos desplazados en el pico. [1] Por otro lado, en los semiconductores y otros materiales unidos covalentemente, la producción de daño suele ser similar al número de átomos desplazados. [1] [22] Los materiales iónicos pueden comportarse como metales o como semiconductores con respecto a la fracción de daño recombinada. [37]

Otras consecuencias

Las cascadas de colisión en las proximidades de una superficie a menudo provocan chisporroteo , tanto en los regímenes de picos lineales como de picos de calor. [21] Los picos de calor cerca de las superficies también conducen con frecuencia a la formación de cráteres. [38] [39] Este cráter es causado por el flujo líquido de átomos, [40] pero si el tamaño del proyectil supera los 100.000 átomos, el mecanismo de producción del cráter cambia al mismo mecanismo que el de los cráteres macroscópicos producidos por balas o asteroides. [41]

El hecho de que muchos átomos sean desplazados por una cascada significa que los iones pueden usarse para mezclar materiales deliberadamente, incluso para materiales que normalmente son termodinámicamente inmiscibles. Este efecto se conoce como mezcla de haz de iones . [42]

La naturaleza no equilibrada de la irradiación también se puede utilizar para sacar materiales del equilibrio termodinámico y, por lo tanto, formar nuevos tipos de aleaciones. [43]

Ver también

  • Lluvia de partículas , un conjunto de colisiones binarias entre partículas de alta energía que a menudo implican reacciones nucleares.
  • Ciencia de los materiales de radiación
  • Conferencia COSIRES
  • Conferencia REI

Referencias

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enlaces externos

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