Atomistic Simulations of Swift Heavy Ion Irradiation Effects in Silica

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0590-5
Title: Atomistic Simulations of Swift Heavy Ion Irradiation Effects in Silica
Author: Leino, Aleksi
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Materiaalifysiikan osasto
Fysiikan tutkimuslaitos (HIP)
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2015-07-17
Language: en
URI: http://hdl.handle.net/10138/155606
http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0590-5
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Ions in the keV energy range are regularly used in the semiconductor industry for device fabrication. Irradiation with ions of higher energies can also induce favorable structural changes in the irradiated samples. Among these, irradiation effects of the so-called swift heavy ions (SHIs, heavy ions with specific energies in the 1 MeV / amu range) in electrically insulating materials are particularly interesting. Despite the wide range of existing applications (filters, printed circuit boards and geological dating) and application potential (fuel cells, cell mimicking membranes) of SHI irradiation, the mechanisms by which SHIs interact with insulators are still under debate. Modelling of SHIs is a very challenging task as, contrary to ions with lower energies, they mostly interact with electrons, inducing lots of electronic excitations. Incorporating the latter with atomistic dynamics is especially difficult in insulators, and the methods have not yet been fully established. SHIs can induce a cylindrical region of structural transformation known as an ion track. In crystalline silicon dioxide, a track consists of an amorphized region that is typically several microns long and has a radius of less than ten nanometers. Furthermore, it was recently found out that SHI irradiation can be used to induce a shape transformation in metal nanoclusters (NCs) that are embedded in amorphous silicon dioxide. Spherical NCs (radius 1-50 nm) elongate along the ion beam direction and are shaped into nanorods or prolate spheroids. The phenomenon can be exploited to produce large arrays of equally aligned nanoclusters within a solid substrate, which is difficult to achieve otherwise. In this thesis, ion track formation and the elongation of gold nanoclusters in silicon dioxide are studied using so called two-temperature molecular dynamics simulations. The structure of the tracks is studied and a mechanism is proposed for the nanoparticle elongation effect. The work presented here is a step towards the understanding of SHI related effects in a broader range of insulating materials for the SHI based applications.Tapa, jolla raskas ioni vuorovaikuttaa aineen kanssa riippuu suuresti sen nopeudesta. Tavallisissa ionisäteilyn sovelluskohteissa (esimerkiksi puolijohdekomponenttien valmistaminen) ionin nopeus on suuruudeltaan sellainen (ts. ionin kineettinen energia on suuruusluokaltaan kiloelektronivoltteja), että ionin ja aineen atomien välisissä törmäyksissä liike-energia siirtyy suoraan aineen atomiytimille. Tämänkaltaisten ionien käyttäytyminen aineessa osataan ennustaa hyvin. Vaikeammin ennustettavissa ovat nopeudeltaan suurempien ionien vaikutukset, kun ionin kineettinen energia on kymmeniä tai satoja megaelektronivoltteja. Nämä ionit (ns. ripeät raskas-ionit) jarruuntuvat aineessa pääasiassa törmäyksissä aineen elektronien kanssa. Myös ripeillä raskas-ioneilla on sovelluskohteita. Niitä käytetään esimerkiksi suodattimien valmistamiseen. Lisäksi geologisten näytteiden iänmääritys voidaan suorittaa perustuen ripeiden raskas-ionien vaikutukseen. Ei kuitenkaan ole olemassa yleisesti hyväksyttyä teoriaa, joka kuvaisi säteilyvaikutuksen syntymistä ionin nopeuden ollessa suuri. Työssä tutkitaan kahta ripeiden raskas-ionien säteilyvaikutusta piidioksidissa tietokonesimulaatioiden avulla. Ionit voivat indusoida aineeseen sylinterinmuotoisen rakennemuutoksen, jota kutsutaan ionin jäljeksi. Kiteisessä piidioksidissa jälki muodostuu amorfisesta alueesta, joka on tyypillisesti useita mikrometrejä pitkä ja jonka säde on pienempi kuin 10 nanometriä. Näiden rakennetta ja syntyä tutkitaan. Lisäksi tiedetään, että ripeät raskas-ionit voivat aikaansaada rakennemuutoksen amorfisen piidioksidin sisällä oleviin metallisiin nanohiukkasiin. Pallonmuotoiset nanohiukkaset (säde 1-50 nm) pitenevät ionisäteen suunnassa ja muokkautuvat nanoputkiksi tai sferoideiksi. Ilmiötä hyödyntämällä voidaan kasvattaa suuria määriä samaan suuntaan osoittavia nanopartikkeleja kiinteän aineen sisällä. Rakennetta on vaikea valmistaa muilla keinoilla. Simulaatiotuloksiin perustuen työssä ehdotetaan mekanismia, jolla nanopartikkelit pitenevät. Työn tulokset lisäävät ripeiden raskas-ionien vaikutusten ymmärrystä, mikä on tärkeää sovellusten kannalta.
Subject: fysiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
atomisti.pdf 18.33Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record