Çarpışma çağlayan - Collision cascade

Daha fazla enkaz üreten ek nesnelerle çarpışan enkaz zincir reaksiyonları üreten alçak dünya yörüngesindeki nesneler arasındaki çarpışma senaryosu için bkz. Kessler sendromu .
Klasik bir moleküler dinamik bir çarpışma kaskadının bilgisayar simülasyonu Au 10 tarafından indüklenen keV Au kendi kendine geri tepme. Bu, ısı artış rejiminde tipik bir çarpışma kaskad durumudur. Her küçük küre, üç boyutlu bir simülasyon hücresinin 2 atom tabakası kalınlığında bir enine kesitinde bir atomun konumunu gösterir. Renkler (logaritmik ölçekte) atomların kinetik enerjisini gösterir; beyaz ve kırmızı 10 keV'den aşağıya doğru yüksek kinetik enerjidir ve mavi düşüktür.

Bir çarpışma kaskadı (bir yer değiştirme kaskadı veya bir yer değiştirme sıçraması olarak da bilinir), bir katı veya sıvıdaki enerjik bir parçacığın neden olduğu atomların yakındaki bitişik enerjik (sıradan termal enerjilerden çok daha yüksek) çarpışmalarından oluşan bir settir .

Bir çarpışma kademesindeki maksimum atom veya iyon enerjileri , malzemenin eşik yer değiştirme enerjisinden daha yüksekse (onlarca eV veya daha fazla), çarpışmalar atomları kalıcı olarak kafes bölgelerinden uzaklaştırabilir ve kusurlar oluşturabilir . İlk enerjik atom, örneğin, bir parçacık hızlandırıcıdan bir iyon , geçen yüksek enerjili bir nötron , elektron veya foton tarafından üretilen bir atomik geri tepme olabilir veya bir radyoaktif çekirdek bozunduğunda ve atoma bir geri tepme enerjisi verdiğinde üretilebilir.

Çarpışma kademelerinin doğası, geri tepme / gelen iyonun enerjisine ve kütlesine ve malzemenin yoğunluğuna ( durdurma gücü ) bağlı olarak büyük ölçüde değişebilir .

Doğrusal kademeler

Atomlar arasındaki bağımsız ikili çarpışmaların şematik gösterimi

İlk geri tepme / iyon kütlesi düşük olduğunda ve kademenin meydana geldiği malzeme düşük bir yoğunluğa sahipse (yani geri tepme malzemesi kombinasyonu düşük bir durdurma gücüne sahipse ), ilk geri tepme ve numune atomları arasındaki çarpışmalar nadiren meydana gelir ve atomlar arasındaki bağımsız ikili çarpışmalar dizisi olarak anlaşıldı. Bu tür bir kaskad, ikili çarpışma yaklaşımı (BCA) simülasyon yaklaşımı kullanılarak teorik olarak iyi işlenebilir . Örneğin, enerjileri 10 keV'nin altında olan H ve He iyonlarının tüm materyallerde tamamen doğrusal kaskadlara yol açması beklenebilir.

Doğrusal bir çarpışma kademesinin şematik gösterimi. Kalın çizgi yüzeyin konumunu gösterir ve daha ince olan atomların balistik hareket yollarını baştan malzemede duruncaya kadar çizer. Mor daire, gelen iyondur. Kırmızı, mavi, yeşil ve sarı daireler sırasıyla birincil, ikincil, üçüncül ve dörtlü geri tepmeleri gösterir. Balistik çarpışmalar arasında iyonlar düz bir yolda hareket eder.

En yaygın kullanılan BCA kodu SRIM , 1 GeV iyon enerjisine kadar tüm malzemelerdeki tüm iyonlar için düzensiz malzemelerdeki doğrusal çarpışma kademelerini simüle etmek için kullanılabilir . Bununla birlikte, SRIM'in elektronik enerji birikimine bağlı hasar veya uyarılmış elektronlar tarafından üretilen hasar gibi etkileri tedavi etmediğini unutmayın. Kullanılan nükleer ve elektronik durdurma güçleri , deneylere ortalama uyum sağlar ve bu nedenle de tam olarak doğru değildir. Elektronik durdurma gücü, ikili çarpışma yaklaşımı veya moleküler dinamik (MD) simülasyonlarına kolayca dahil edilebilir . MD simülasyonlarında, elektronik sistemlerin ısınmasını da takip ederek ve elektronik ve atomik serbestlik derecelerini birleştirerek ya bir sürtünme kuvveti olarak ya da daha gelişmiş bir şekilde dahil edilebilirler. Bununla birlikte, elektronik durdurma gücünün veya elektron-fonon bağlantısının uygun düşük enerji sınırının ne olduğu konusunda belirsizlikler devam etmektedir.

Doğrusal kademelerde, numunede üretilen geri tepme seti, orijinal çarpışmadan bu yana kaç çarpışma adımının geçtiğine bağlı olarak bir geri tepme nesilleri dizisi olarak tanımlanabilir: birincil çarpma atomları (PKA), ikincil çarpma atomları (SKA) , üçüncül çarpma atomları (TKA), vb. Tüm enerjinin bir knock-on atoma aktarılması son derece düşük bir olasılık olduğundan, her bir geri tepme atomu nesli bir öncekinden ortalama olarak daha az enerjiye sahiptir ve sonunda knock-on atom enerjileri hasar üretimi için yer değiştirme enerjisinin eşiğinin altına iner , bu noktada artık hasar üretilemez.

Isı artışları (termal artışlar)

İyon yeterince ağır ve enerjik olduğunda ve malzeme yoğun olduğunda, iyonlar arasındaki çarpışmalar birbirlerinden bağımsız düşünülemeyecek kadar yakın olabilir. Bu durumda süreç, BCA ile tedavi edilemeyen, ancak moleküler dinamik yöntemler kullanılarak modellenebilen yüzlerce ve on binlerce atom arasındaki çok sayıda cisim etkileşiminden oluşan karmaşık bir süreç haline gelir .

Yukarıdaki gibi, ancak ortada çarpışma bölgesi o kadar yoğun hale geldi ki, aynı anda birden fazla çarpışma meydana geldi, buna ısı artışı denir. Bu bölgede iyonlar karmaşık yollarda hareket eder ve geri tepmelerin sayısal sırasını ayırt etmek mümkün değildir - bu nedenle atomlar kırmızı ve mavi karışımı ile renklendirilir.

Tipik olarak, bir ısı yükselmesi, kaskadın merkezinde geçici bir yoğun bölge ve çevresinde aşırı yoğun bir bölgenin oluşumu ile karakterize edilir. Kaskad sonra çok yoğun bölge haline geçiş kusurları ve underdense bölgesi tipik olarak bir bölge haline boş .

Yoğun çarpışma bölgesindeki atomların kinetik enerjisi tekrar sıcaklığa göre hesaplanırsa (E = 3/2 · N · k B T temel denklemi kullanılarak ), sıcaklık birimlerindeki kinetik enerjinin başlangıçta mertebesinde olduğu bulunur. Bu nedenle, bölgenin çok sıcak olduğu düşünülebilir ve bu nedenle bir ısı yükselmesi veya termal yükselme olarak adlandırılır (iki terim genellikle eşdeğer olarak kabul edilir). Isı artışı 1–100 ps'de ortam sıcaklığına kadar soğur, bu nedenle buradaki "sıcaklık" termodinamik denge sıcaklığına karşılık gelmez. Bununla birlikte, yaklaşık 3 kafes titreşiminden sonra, bir ısı artışındaki atomların kinetik enerji dağılımının Maxwell-Boltzmann dağılımına sahip olduğu ve sıcaklık kavramının kullanımını biraz haklı kıldığı gösterilmiştir. Dahası, deneyler, bir ısı artışının, çok yüksek bir sıcaklık gerektirdiği bilinen bir faz geçişini tetikleyebileceğini göstermiştir; bu, bir (denge dışı) sıcaklık kavramının, çarpışma kademelerini tanımlamada gerçekten yararlı olduğunu göstermektedir.

Çoğu durumda, aynı ışınlama koşulu, doğrusal kaskadlar ve ısı artışlarının bir kombinasyonudur. Örneğin, Cu'yu bombardıman eden 10 MeV Cu iyonu, nükleer durdurma gücü düşük olduğu için başlangıçta kafes içinde doğrusal bir kademeli rejimde hareket edecektir . Ancak Cu iyonu yeterince yavaşladığında, nükleer durdurma gücü artacak ve bir ısı artışı üretilecektir. Dahası, gelen iyonların birincil ve ikincil geri tepmelerinin çoğu muhtemelen keV aralığında enerjilere sahip olacak ve bu nedenle bir ısı artışı üretecektir.

Örneğin, bakırın bakır ışıması için, yaklaşık 5–20 keV'lik geri tepme enerjilerinin, ısı artışları oluşturması neredeyse garanti edilmektedir. Daha düşük enerjilerde, kademeli enerji sıvı benzeri bir bölge oluşturmak için çok düşüktür. Çok daha yüksek enerjilerde, Cu iyonları büyük olasılıkla başlangıçta doğrusal bir kademeye yol açar, ancak geri tepmeler, yeterince yavaşladığında ilk iyon gibi, ısı artışlarına yol açabilir. Alt kademeli bozulma eşiği enerjisi kavramı , üzerinde bir malzemedeki bir geri tepmenin , tek bir yoğun olan yerine birkaç izole edilmiş ısı yükselmesi üretme olasılığı bulunan enerjiyi ifade eder.

Isı artışı rejimindeki çarpışma kademelerinin bilgisayar simülasyonu tabanlı animasyonları YouTube'da mevcuttur.

Hızlı ağır iyon termal artışları

Çok güçlü bir elektronik durdurma ile hasar üreten hızlı ağır iyonların , yani MeV ve GeV ağır iyonlarının , güçlü kafes ısınmasına ve geçici düzensiz bir atom bölgesine yol açmaları anlamında termal sivri uçlar ürettikleri de düşünülebilir. Bununla birlikte, en azından hasarın ilk aşaması, bir Coulomb patlama mekanizması açısından daha iyi anlaşılabilir . Isıtma mekanizmasının ne olduğuna bakılmaksızın, yalıtkanlardaki hızlı ağır iyonların tipik olarak düşük yoğunluklu uzun silindirik hasar bölgeleri oluşturan iyon izleri ürettiği iyi bilinmektedir .

Zaman ölçeği

Çarpışma kademesinin doğasını anlamak için, ilgili zaman ölçeğini bilmek çok önemlidir. Kaskadın balistik fazı, ilk iyon / geri tepme ve onun birincil ve düşük seviyeli geri tepmeleri eşik yer değiştirme enerjisinin çok üzerinde enerjilere sahip olduğunda , tipik olarak 0.1-0.5 ps sürer. Bir ısı yükselmesi oluşursa, sivri uç sıcaklığı esas olarak ortam sıcaklığına soğuyana kadar yaklaşık 1–100 ps yaşayabilir. Kaskadın soğuması, sıcak iyonik alt sistem elektron-fonon kuplajı yoluyla elektronik olanı ısıttıktan sonra, kafes ısı iletkenliği ve elektronik ısı iletkenliği yoluyla gerçekleşir . Maalesef, sıcak ve düzensiz iyonik sistemden elektron-fonon bağlanma oranı, sıcak elektronlardan sağlam bir kristal yapıya oldukça iyi bilinen ısı transferi işlemine eşit olarak muamele edilemediği için iyi bilinmemektedir. Son olarak, oluşan kusurlar muhtemelen yeniden birleştiğinde ve göç ettiğinde, kademenin gevşeme aşaması, malzemeye, kusur geçişine ve rekombinasyon özelliklerine ve ortam sıcaklığına bağlı olarak birkaç ps'den sonsuz sürelere kadar sürebilir .

Etkileri

Kanal oluşturma koşulları altında Au üzerine etki eden 30 keV Xe iyonu tarafından üretilen ısı yükselme rejiminde bir çarpışma kademesinin zaman gelişiminin görüntü dizisi . Görüntü, bir çarpışma kademesinin klasik moleküler dinamik simülasyonu ile üretilir . Görüntü, üç boyutlu bir simülasyon hücresinin ortasındaki iki atomik katmanın bir enine kesitini göstermektedir. Her küre, bir atomun konumunu gösterir ve renkler, her bir atomun kinetik enerjisini, sağdaki ölçekte gösterildiği gibi gösterir. Sonunda, iki nokta kusurları ve çıkık döngüler kalır.

Hasar üretimi

Bir kaskaddaki kinetik enerjiler çok yüksek olabileceğinden, malzemeyi yerel olarak termodinamik dengenin çok dışına çıkarabilir. Tipik olarak bu, hatalı üretimle sonuçlanır . Kusurlar, örneğin, Frenkel çiftleri gibi nokta kusurları , sıralı veya düzensiz dislokasyon döngüleri, istifleme hataları veya amorf bölgeler olabilir. Birçok malzemenin uzun süre ışınlanması , silikon yongaların iyon implantasyonu katkısı sırasında düzenli olarak meydana gelen bir etki olan tam amorfizasyonuna yol açabilir .

Kusur üretimi zararlı olabilir, örneğin nötronların malzemelerin mekanik özelliklerini yavaşça bozduğu nükleer fisyon ve füzyon reaktörlerinde veya yararlı ve istenen bir malzeme modifikasyon etkisi, örneğin iyonlar hızlanmak için yarı iletken kuantum kuyusu yapılarına sokulduğunda bir lazerin çalışması. veya karbon nanotüpleri güçlendirmek için.

Çarpışma kademelerinin ilginç bir özelliği, üretilen nihai hasar miktarının, başlangıçta ısı artışlarından etkilenen atomların sayısından çok daha az olabilmesidir. Özellikle saf metallerde, ısı artışı aşamasından sonraki nihai hasar üretimi, başakta yer değiştiren atom sayısından daha küçük büyüklükte sıralar olabilir. Öte yandan, yarı iletkenler ve diğer kovalent bağlı malzemelerde hasar üretimi genellikle yer değiştirmiş atomların sayısına benzer. İyonik malzemeler, yeniden birleşen hasar oranına göre ya metaller ya da yarı iletkenler gibi davranabilir.

Diğer sonuçlar

Bir yüzeyin yakınındaki çarpışma kademeleri , hem doğrusal yükselme hem de ısı yükselme rejimlerinde sıklıkla püskürtmeye yol açar . Yüzeylerin yakınındaki ısı artışları da sıklıkla krater oluşumuna yol açar. Bu kraterleme, atomların sıvı akışından kaynaklanır, ancak mermi boyutu kabaca 100.000 atomun üzerindeyse, krater üretim mekanizması, mermiler veya asteroitler tarafından üretilen makroskopik kraterlerle aynı mekanizmaya geçer.

Pek çok atomun kademeli olarak yer değiştirmesi gerçeği, iyonların normalde termodinamik olarak karışmayan malzemeler için bile kasıtlı olarak malzemeleri karıştırmak için kullanılabileceği anlamına gelir. Bu etki, iyon ışını karıştırma olarak bilinir .

Işınlamanın denge dışı doğası, malzemeleri termodinamik dengeden çıkarmak ve böylece yeni alaşım türleri oluşturmak için de kullanılabilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar