тмиэт / Экзамен Тмеет / тмиэт / SRIM Приложение

The Stopping and Range of Ions in Matter

(SRIM)

Приложение

Санкт – Петербург

2017

2

1.Англоязычные термины и обозначения

Впакете использованы следующие условные обозначения диалоговых окон,

кнопок и команд:

–Ion Type - кнопка выбора типа иона из таблицы Менделеева;

–Ion Energy – поле ввода стартовой энергии иона (первичного атома);

–Ion Angle degrees – поле ввода угла влета иона (первичного атома);

–Completed – конечное число рассчитываемых ионов (первичных атомов);

–Target – мишень;

–Show live data – кнопка вызова информации о координатах атома;

–Plot Window - окно графиков;

–Max Target Depth - кнопка ввода толщины мишени;

–Collision Plots - окно вывода графиков столкновений;

–XY - Longitudinal - кнопка визуализации изображения каскада столкновений в кооординатных осях XY;

–XZ - Longitudinal – кнопка визуализации изображения каскада столкновений в кооординатных осях XZ;

–XY - Ions Only – кнопка визуализации изображения каскада столкновений в координатных осях XY;

–YZ - Lateral – кнопка визуализации изображения каскада столкновений в координатных осях YZ;

–Background color White/Black - кнопка выбора цвета фона графика;

–Distributions - окно распределений;

–File – ввод названия файла данных;

–Plot – активизация вывода графика соответствующего распределения;

–Ion Distribution - кнопка вывода графика ионного распределения в материале;

–Ion/Recoil Distribution - кнопка вывода графика распределения ионов/атомов отдачи в материале мишени;

–Lateral Range - кнопка вывода графика поперечного распределения ионов /

первичных атомов в материале мишени;

–Ionization – кнопка (окно) вывода графика распределения ионных потерь первичных атомов в материале мишени;

–Phonons – кнопка (окно) вывода графика распределения фононов в материале

мишени;

3

–Energy to Recoils - кнопка вывода графика распределения энергии отдачи в материале мишени;

–Damage Events - кнопка вывода графика распределения дефектов в материале мишени;

–Integral Sputtered - кнопка вывода графика интегрального распыления (не для модели Кинчина-Пиза);

–Differential Ions - кнопка вывода графика дифференциального распыления материала мишени;

–Ion Range - кнопка вывода графика ионного распределения;

–Backscattered Ions – кнопка (окно) вывода графика обратнорассеянных ионов в материале мишени;

–Transmitted Ions – кнопка (окно) вывода графика распределения прошедших

(насквозь) мишень ионов;

–Collision Details – вывод файла протокола расчета;

–Vacancies / Ion – окно вывода среднего количества вакансий на первичный ион

(атом);

–Sputerring/yield – усредненное распределение энергетических потерь,

приходящихся на различные компоненты гетероструктур;

–Random Number counter – окно вывода датчика случайных чисел.

4

2. Общее описание пакета SRIM

Для расчета пробега ионов в твердых телах используются различные программы компьютерного моделирования. Наибольшую популярность имеет программный пакет

SRIM, который наряду с возможностью расчета пробегов позволяет получить и другую важную информацию: распределение вакансий в мишени, атомов отдачи и т.д.

SRIM представляет собой программу транспорта ионов в некристаллическом веществе методом Монте-Карло без учета неупругих ядерных реакций. В программе моделируются все процессы взаимодействия налетающей частицы и атомов мишени.

Возможно задание кинетической энергии ионов в широком диапазоне до 2 ГэВ,

моделирование сложных веществ мишени, состоящей из нескольких слоев (до 8) и т.д. SRIM позволяет с высокой точностью моделировать ионизационные потери энергии частиц в веществе, энергетические спектры атомов отдачи, 3D-траектории частиц с учетом многократных столкновений с атомами, процессы имплантации ионных примесей в вещество и имеет ряд других опций.

Рис.2.1. Интерфейс пакета программ SRIM.

При запуске программы есть один существенный нюанс – необходимость изменения региональных стандартов из-за несовместимости разрядностисимволов. Для этого необходимо выполнить следующий порядок действий: Пуск → Панель управления

5

→ Язык и Региональные стандарты и во вкладке «Форматы» изменить формат на Английский (США), а так же изменить десятичный знак с запятой на точку.

Пакет свободно распространяется через Интернет (http://www.srim.org).

6

3. TRIM Calculation

TRIM (Transport of Ions in Matter) является программой с довольно обширной специализацией. Он способен рассчитывать как конечное трехмерное распределение ионов, так и все кинетические явления, связанные с потерей энергии ионов:

повреждение мишени, распыление, ионизация и генерация фононов в сложных многосоставных мишенях. Программа устроена так, что вычисления можно прервать в любое время, а затем возобновить с того же места. Графики расчета могут быть сохранены и отображены в случае необходимости.

Рис.3.1. Интерфейс TRIM.

7

3.1 Описание основных функций и возможностей TRIM.

Система координат TRIM предполагает, что ось Х направлена вглубь мишени перпендикулярно ее поверхности, оси Y,Z – в латеральной плоскости.

Ниже располагается раздел Ion Data, в котором задается тип бомбардирующего

иона, его энергия (в кэВ), а также угол наклона первичного пучка относительно поверхности. Выбор иона производится путем нажатия на кнопку PT, которая вызывает Периодическую таблицу, а выбор угла – путем ввода значения (0-89,9°) в

поле Angle of Incidence. В случае использования изотопа вещества имеется возможность изменить его молекулярную массу (поле Mass).

В разделе Target Data задаются характеристики мишени. Слева, в разделе Layers,

задается количество слоев мишени. Добавление слоя производится с помощью кнопки Add New Layer, а удаление – крестиком слева от названия слоя. В поле Layer

Name вводится название слоя, в поле Width – толщина слоя (в ангстремах, нм, мкм,

мм, см, км), в поле Density – плотность мишени, Compound Correction –

поправка, связанная с образованием химических соединений между атомами мишени.

Пункт Gas выбирается в случае работы с газообразными веществами.

Для выбора веществ мишени есть два пути. Первый – это создание мишени из отдельных веществ. Для добавления нового вещества в имеющийся слой используется кнопка Add New Element to Layer, для удаления – крестик слева от названия удаляемого вещества. Другой путь предполагает выбор соединения из списка имеющихся в программе. Для добавления вещества служит кнопка Compound Dictionary. После добавления элементов можно изменять стехиометрию полученного соединения с помощью пункта Atom Stoich (в частях или в процентах), а также изменять установленные по умолчанию энергию смещения атома из равновесия

(Disp), энергию связи с решеткой (Latt) и энергию связи атомов с поверхностью (Sput).

Влевом нижнем углу окна на рисунке 3.1 располагается область Special Parameters. Здесь происходит изменение количества расчетных ионов Total Numbers of Ions и интервала сохранения результата AutoSave at Ion. Увеличение количества ионов повышает точность расчета, однако существенно увеличивает время расчета. Оптимальным количеством для расчета является несколько десятков тысяч ионов.

Вразделе Output Disk Files выбираем те файлы, которые требуется сохранить:

Ion Ranges – распределение ионов в матрице;

8

Backscattered Ions – данные об упруго отраженных ионах;

Transmitted Ions / Recoils – данные об ионах, пролетевших мишень насквозь;

Sputtered Atoms – распыленные атомы мишени;

Collision Details – информация о каскадах атомов отдачи.

После того, как были выбраны все вышеперечисленные параметры, нажимаем

кнопку Save Input & Run TRIM. В результате запускается окно вычислений, которое

представлено на рисунке 4.2.

Ion Distribution – распределение ионов в мишени. Измеряется в (атом/см3) /

(атом/см2). Для получения концентрации ионов необходимо эту величину умножить на их дозу. Для сохранения данных необходимо пользоваться следующим режимом;

Lateral Range – распределение ионов в латеральной плоскости. Сохраненный файл имеет имя LATERAL.TXT;

Ionization – энергия, переданная электронам мишени. Данные, обозначенные

«Ions» отвечают за передачу энергии напрямую от ионов, «Recoils» – от атомов отдачи. Сохраненный файл – IONIZ.TXT;

Phonons – энергия, переданная ионами и атомами отдачи на образование фононов.

Сохраненный файл – PHONON.TXT;

Energy to Recoils – энергия, переданная ионами атомам мишени. Данные сохраняются в файле E2REC.TXT;

Damage Events – распределение вакансий в мишени. Данные сохраняются в файле

VACANCY.TXT

Остальные режимы дублируют перечисленные при выборе сохраняемых файлов в разделе Output Disk Files.

3.1.1 Ввод данных ионов (вкладка ION DATA).

Ввод названия. Следует ввести либо атомный номер элемента, либо выберите имя иона из списка элементов, либо введите химическую аббревиатуру для иона. Нажатие кнопки «PT» вызывает удобную периодическую таблицу всех элементов. Все данные ионов будут автоматически обновляться при вводе информации в любую из этих трех ячеек.

9

Ввод массы ионов. TRIM показывает массу наиболее стабильного изотопа (MAI)

для выбранного иона. MAI для любого элемента отображается в окне периодической таблицы, однако вы можете ввести любую массу для иона.

Ввод энергии ионов. TRIM принимает любые значения до 10 ГэВ. Для энергий выше 1 МэВ TRIM не включает в себя потери энергии на ядерные реакции, так что ионы могут иметь значительные неупругие потери энергии, которые не включены в расчет

(обычно около 5%).

3.1.2Угол падения ионов (ячейка Angle of Incidence of Ion). Число в этой ячейке меняет угол падения иона по отношению к поверхности мишени. Обычно ион перпендикулярен поверхности мишени вдоль оси X. Этот угол может быть изменен на любой угол от 0 до 89,9 градусов. Предполагается, что изменение направления ионов находится в плоскости XY.

3.1.3Режимы TRIMвычислений (вкладка DAMAGE). TRIM позволяет пользователю опустить некоторые аспекты кинетики столкновений, чтобы увеличить скорость вычисления. Режим «Full Damage Cascades» включают в себя всю нормальную кинетику иона, проникающего в мишень. «Quick» расчет игнорирует каскады и ограничивает расчет траекториями ионов. Расчет «Sputtering» включает специальные графики, связанные с распылением целевого атома. Наконец, TRIM может работать в режиме с ограничениями, как объясняется ниже для расчета нейтронных, электронных и фотонных каскадов.

Доступны следующие режимы вычислений:

Ion Distribution and Quick Calculation of Damage - этот режим используется,

если производится расчет конечного распределения ионов в мишени, потери энергии иона на ионизацию атомов мишени, передача энергии атомам отдачи, а

также отслеживаются упруго отраженные и прошедшие ионы. При этом не рассматриваются детально процессы, связанные с распылением мишени и поведением атомов отдачи;

Detailed Calculation with full Damage Cascades – в этом режиме дополнительно отслеживается каждый атом отдачи до тех пор, пока его энергия не станет меньше энергии смещения какого-либо атома мишени из равновесного положения;

Monolayer Collision Steps / Surface Sputtering – в этом режиме дополнительно производится учет распыления поверхностных атомов и процессов их

10