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La aproximación de colisión binaria ( BCA ) significa un método utilizado en la física de la irradiación de iones para permitir una simulación por computadora eficiente de la profundidad de penetración y la producción de defectos por iones energéticos (con energías cinéticas en el rango de kilo-electronvoltios ( keV ) o superior) en sólidos. En el método, se calcula que el ion viaja a través de un material al experimentar una secuencia de colisiones binarias independientes con los átomos de la muestra ( núcleos ). Entre las colisiones, se supone que el ion viaja en línea recta, experimentando una potencia de frenado electrónica , pero sin perder energía en las colisiones con los núcleos. [1][2] [3]

Ilustración esquemática de colisiones binarias independientes entre átomos

Enfoques de simulación [ editar ]

En el enfoque BCA, una sola colisión entre el ión entrante y un átomo objetivo (núcleo) se trata resolviendo la integral de dispersión clásica entre dos partículas en colisión para el parámetro de impacto del ión entrante. La solución de la integral da el ángulo de dispersión del ion, así como su pérdida de energía a los átomos de la muestra y, por lo tanto, cuál es la energía después de la colisión en comparación con la anterior. [1] La integral de dispersión se define en el sistema de coordenadas del centro de masa (dos partículas reducidas a una sola partícula con un potencial interatómico) y relaciona el ángulo de dispersión con el potencial interatómico .

También es posible resolver la integral de tiempo de la colisión para saber qué tiempo ha transcurrido durante la colisión. Esto es necesario al menos cuando se utiliza BCA en el modo "cascada completa", consulte a continuación.

La pérdida de energía de los electrones, es decir, la potencia de frenado electrónica , puede tratarse con modelos de frenado electrónico dependientes de los parámetros de impacto, [4] restando una potencia de frenado dependiente de la velocidad de los iones sólo entre las colisiones, [5] o una combinación de los dos enfoques.

El método de selección para el parámetro de impacto dividió los códigos BCA en dos variedades principales: códigos BCA "Monte Carlo" y códigos BCA-cristal.

En el llamado enfoque Monte Carlo BCA, la distancia y el parámetro de impacto del siguiente átomo en colisión se elige al azar de una distribución de probabilidad que depende solo de la densidad atómica del material. Este enfoque simula esencialmente el paso de iones en un material completamente amorfo. (Tenga en cuenta que algunas fuentes llaman a esta variedad de BCA simplemente Monte Carlo, lo cual es engañoso ya que el nombre puede confundirse con otras variedades de simulación de Monte Carlo completamente diferentes ). SRIM y SDTrimSP son códigos BCA Monte-Carlo.

También es posible (aunque más difícil) implementar métodos BCA para materiales cristalinos, de manera que el ión en movimiento tenga una posición definida en un cristal, y se determine que el parámetro de distancia e impacto al siguiente átomo en colisión corresponde a un átomo en el cristal. cristal. En este enfoque, BCA se puede utilizar para simular también el movimiento del átomo durante la canalización . Códigos como MARLOWE operan con este enfoque.

La aproximación de colisión binaria también se puede ampliar para simular cambios de composición dinámica de un material debido a la irradiación iónica prolongada, es decir, debido a la implantación de iones y la pulverización catódica . [6]

A bajas energías iónicas, la aproximación de colisiones independientes entre átomos comienza a descomponerse. Este problema se puede aumentar hasta cierto punto resolviendo la integral de colisión para múltiples colisiones simultáneas. [3] [7] Sin embargo, a energías muy bajas (por debajo de ~ 1 keV, para una estimación más precisa, ver [8] ) la aproximación BCA siempre se rompe, y uno debe usar enfoques de simulación de irradiación iónica de dinámica molecular porque estos pueden, por diseño, manejar colisiones de muchos cuerpos de muchos átomos arbitrariamente. Las simulaciones MD pueden seguir solo el ión entrante ( aproximación de interacción de retroceso o RIA [9] ) o simular todos los átomos involucrados en una cascada de colisión .[10]

Simulaciones en cascada de colisiones BCA [ editar ]

Las simulaciones de BCA se pueden subdividir por tipo dependiendo de si solo siguen el ión entrante o también siguen los retrocesos producidos por el ión ( modo de cascada completa , por ejemplo, en el popular código BCA SRIM ). Si el código no tiene en cuenta las colisiones secundarias (retrocesos), el número de defectos se calcula utilizando la extensión Robinson del modelo Kinchin-Pease.

Si la masa de iones / retroceso inicial es baja, y el material donde se produce 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 raras veces y pueden ser entendido bien como una secuencia de colisiones binarias independientes entre átomos. En teoría, este tipo de cascada se puede tratar bien con BCA.

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 violeta 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. BCA puede en "modo de cascada completa" describir cascadas de colisión lineal de pozos.

Estimaciones de producción de daños [ editar ]

Las simulaciones de BCA dan naturalmente la profundidad de penetración de iones, la dispersión lateral y las distribuciones de energía de deposición nuclear y electrónica en el espacio. También se pueden utilizar para estimar el daño producido en los materiales, asumiendo que cualquier retroceso que reciba una energía superior al umbral de energía de desplazamiento del material producirá un defecto estable.

Sin embargo, este enfoque debe utilizarse con mucha precaución por varias razones. Por ejemplo, no tiene en cuenta ninguna recombinación de daño activada térmicamente, ni el hecho bien conocido de que en los metales la producción de daño es para altas energías solo algo así como el 20% de la predicción de Kinchin-Pease. [11] Además, este enfoque solo predice la producción de daños como si todos los defectos fueran pares de Frenkel aislados , mientras que en realidad, en muchos casos, las cascadas de colisión producen agrupaciones de defectos o incluso dislocaciones como estado de daño inicial. [12] [13] Los códigos BCA pueden, sin embargo, ampliarse con modelos de recombinación y agrupamiento de daños que mejoran su confiabilidad a este respecto. [14] [15]Finalmente, la energía de desplazamiento de umbral promedio no se conoce con mucha precisión en la mayoría de los materiales.

Códigos BCA [ editar ]

  • SRIM [16] ofrece una interfaz gráfica de usuario y probablemente sea el código BCA más utilizado en la actualidad. Se puede utilizar para simular cascadas de colisión lineal en materiales amorfos 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 la canalización , el daño debido a la deposición de energía electrónica (necesario, por ejemplo, para describir el daño rápido de iones pesados en los materiales) o el daño producido por electrones excitados. Los rendimientos de pulverización catódica calculados pueden ser menos precisos que los de otros códigos. [17]
  • MARLOWE [2] [3] es un código grande que puede manejar materiales cristalinos y soportar numerosos modelos físicos diferentes.
  • TRIDYN, [6] versiones más recientes conocidas como SDTrimSP , es un código BCA capaz de manejar cambios dinámicos de composición.
  • DART, código francés desarrollado por el CEA (Commisariat à l'Energie Atomique) en Saclay. Se diferencia de SRIM en su poder de frenado electrónico y resolución analítica de la integral de dispersión (la cantidad de defectos producidos se determina a partir de las secciones transversales elásticas y las concentraciones atómicas de átomos). La potencia de frenado nuclear proviene del potencial interatómico universal (potencial ZBL), mientras que la potencia de frenado electrónica se deriva de la ecuación de Bethe para los protones y Lindhard-Scharff para los iones.

Ver también [ editar ]

  • Cascada de colisión
  • Dinámica molecular
  • Conferencia COSIRES

Referencias [ editar ]

  1. ^ a b R. Smith (ed.), Colisiones atómicas y de iones en sólidos y superficies: teoría, simulación y aplicaciones , Cambridge University Press, Cambridge, Reino Unido, 1997 ISBN  0-521-44022-X
  2. ↑ a b Robinson, M (1992). "Estudios de simulación por ordenador de cascadas de colisiones de alta energía1" . Instrumentos y métodos nucleares en Física de Investigación Sección B . 67 (1–4): 396–400. Código Bibliográfico : 1992NIMPB..67..396R . doi : 10.1016 / 0168-583X (92) 95839-J .
  3. ^ a b c Robinson, Mark; Torrens, Ian (1974). "Simulación por computadora de cascadas de desplazamiento atómico en sólidos en la aproximación de colisión binaria". Physical Review B . 9 (12): 5008. Código Bibliográfico : 1974PhRvB ... 9.5008R . doi : 10.1103 / PhysRevB.9.5008 .
  4. ^ LM Kishinevskii, Secciones transversales para colisiones atómicas inelásticas, Bull. Acad. Sci. URSS, Phys. Ser. 26 de octubre de 1433 (1962)
  5. ↑ JF Ziegler, JP Biersack y U. Littmark, The Stopping and Range of Ions in Matter, 1985 ISBN 0-08-022053-3 y referencias allí. 
  6. ^ a b Moller, W; Eckstein, W (1984). "Tridyn - Un código de simulación TRIM que incluye cambios dinámicos de composición". Instrumentos y métodos nucleares en Física de Investigación Sección B . 2 (1–3): 814–818. Código Bibliográfico : 1984NIMPB ... 2..814M . doi : 10.1016 / 0168-583X (84) 90321-5 .
  7. ^ Gartner, K (1995). "Simulación por computadora round robin de la transmisión de iones a través de capas cristalinas". Instrumentos y métodos nucleares en Física de Investigación Sección B . 102 (1–4): 183–197. Código Bibliográfico : 1995NIMPB.102..183G . doi : 10.1016 / 0168-583X (95) 80139-D .
  8. ^ Hobler, G (2001). "Sobre el rango útil de aplicación de las simulaciones de dinámica molecular en la aproximación de interacción de retroceso". Instrumentos y métodos nucleares en Física de Investigación Sección B . 180 (1–4): 203–208. Código Bibliográfico : 2001NIMPB.180..203H . doi : 10.1016 / S0168-583X (01) 00418-9 .
  9. ^ Nordlund, K (1995). "Simulación de dinámica molecular de rangos de iones en el rango de energía de 1–100 keV" . Ciencia de los materiales computacionales . 3 (4): 448–456. doi : 10.1016 / 0927-0256 (94) 00085-Q .
  10. ^ De La Rubia, T .; Averback, R .; Benedek, R .; King, W. (1987). "Papel de los picos térmicos en las cascadas de desplazamiento energético". Cartas de revisión física . 59 (17): 1930-1933. Código Bibliográfico : 1987PhRvL..59.1930D . doi : 10.1103 / PhysRevLett.59.1930 . PMID 10035371 . 
  11. ^ RS Averback y T. Díaz de la Rubia, Daños por desplazamiento en metales y semiconductores irradiados , en Solid State Physics , ed. H. Ehrenfest y F. Spaepen, volumen 51, págs. 281–402, Academic Press, Nueva York, 1998. ISBN 0-12-607751-7 
  12. ↑ Nordlund, K .; Ghaly, M .; Averback, R .; Caturla, M .; Díaz De La Rubia, T .; Tarus, J. (1998). "Producción de defectos en cascadas de colisión en semiconductores elementales y metales fcc" (PDF) . Physical Review B . 57 (13): 7556. Bibcode : 1998PhRvB..57.7556N . doi : 10.1103 / PhysRevB.57.7556 . Archivado desde el original (PDF) el 16 de julio de 2011.
  13. ↑ Nordlund, K .; Gao, F. (1999). "Formación de tetraedros de fallas de apilamiento en cascadas de colisión". Letras de Física Aplicada . 74 (18): 2720. Código Bibliográfico : 1999ApPhL..74.2720N . doi : 10.1063 / 1.123948 .
  14. ^ Heinisch, HL (1990). "Simulación por computadora de cascadas de desplazamiento de alta energía" . Efectos de la radiación y defectos en sólidos . 113 (1-3): 53-73. doi : 10.1080 / 10420159008213055 .
  15. ↑ Pugacheva, T; Djurabekova, F; Khvaliev, S (1998). "Efectos de la mezcla en cascada, la pulverización catódica y la difusión por irradiación de iones de luz de dosis alta de nitruro de boro". Instrumentos y métodos nucleares en Física de Investigación Sección B . 141 (1–4): 99–104. Código Bibliográfico : 1998NIMPB.141 ... 99P . doi : 10.1016 / S0168-583X (98) 00139-6 .
  16. ^ Sitio web de SRIM
  17. ^ Hofsäss, H .; Zhang, K .; Mutzke, A. (2014). "Simulación de sputtering por haz de iones con SDTrimSP, TRIDYN y SRIM". Ciencia de superficies aplicadas . 314 : 134-141. Código bibliográfico : 2014ApSS..310..134H . doi : 10.1016 / j.apsusc.2014.03.152 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-0023-C776-9 .

Enlaces externos [ editar ]

  • Medios relacionados con la aproximación de colisión binaria en Wikimedia Commons