Simulação por dinâmica molecular de efeitos induzidos pela irradiação iônica de filmes moleculares ultrafinos

Abstract

In this work, molecular dynamics (MD) simulations were carried out to study the ion-irradiation induced effects on ultrathin molecular films. The energy deposited by the ions is computationally simulated using a simple thermal spike with particles interacting via the Lennard-Jones potential. It was investigated the effect of thin and ultrathin (2 – 60 nm) films thickness variation in the dimensions of the defects created on the surface – crater’s diameter (Dc) and depth (Cd) and ridge (rim) volume. Crystalline and amorphous systems were modeled, and different radius and temperature combinations were investigated for the simulated cylindrical track. Qualitative and quantitative results obtained from crystalline and amorphous samples were compared. The analysis of the system’s dynamics after the track energy got transferred into atomic motion allowed to identify the mechanisms responsible for the formation of the surface defects. Crater size is mostly determined by evaporation and melt flow from the hot track, while the rim size is determined both by melt flow and coherent displacement of particles due to the large pressure developed in the excited track. We find a large dependence on the dimensions of the surface defects, and in the number of sputtered particles, with the film thickness (h) below a critical value hcrítico. The critical thickness for the rim volume, more sensitive to the confinement of the film, was found to be higher than the hcrítico for Dc, since mechanisms involved in the formation of both effects are different. Also from a critical h on, the sputtering yield got smaller as the film thickness decreased. The sputtered particles’ depth of origin zorigem was obtained as a function of h. As a result from simulations with amorphous films it was obtained zorigem<h/2. Results from simulations were compared to recent experimental data.

Neste trabalho, simulações por dinâmica molecular (MD) foram empregadas para estudar efeitos induzidos pela irradiação iônica de alta energia em filmes moleculares ultrafinos. A energia depositada pelos íons é computacionalmente simulada usando um modelo simples de thermal spike com partículas interagindo pelo potencial de Lennard-Jones. Foi investigado o efeito da variação da espessura de filmes ultrafinos (2 – 60 nm) nas dimensões dos defeitos criados na superfície - diâmetro (Dc) e profundidade (Cd) da cratera e volume da protuberância (rim). Foram modelados sistemas cristalino e amorfo, e investigadas diferentes combinações de raio e temperatura da trilha de excitação gerada pelos íons. Os resultados qualitativos e quantitativos obtidos usando os sólidos cristalino e o amorfo foram comparados. A análise da dinâmica do sistema após a energia da trilha iônica ser transferida para movimento atômico permitiu identificar os mecanismos responsáveis pela formação dos defeitos de superfície. O tamanho da cratera é determinado principalmente pela ejeção de material e pelo fluxo de material fundido da trilha superaquecida, enquanto o rim tem origem tanto no fluxo de material derretido quanto no deslocamento coerente de um pulso de pressão oriundo do centro da trilha excitada. Foi encontrada uma forte dependência entre as dimensões dos defeitos de superfície, e no número de partículas ejetadas (sputtering), quando a espessura do filme (h) é menor que um valor crítico hcrítico. A espessura crítica para o volume do rim, mais sensível ao confinamento do filme, foi maior que para o Dc, devido aos diferentes mecanismos envolvidos.O sputtering foi cada vez menor com a redução de h a partir também de um valor crítico de h. Também foram obtidas a profundidade de origem zorigem das partículas ejetadas, e o sputtering em função de h. Para os filmes amorfos se obteve zorigem<h/2. Resultados das simulações foram comparados com dados experimentais recentes. Os melhores resultados das simulações obtiveram ótima correlação qualitativa para Dc e para o volume do rim.