Molecular dynamics simulation of ripple formation and propagation

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2808-9
Title: Molecular dynamics simulation of ripple formation and propagation
Author: Lopez Cazalilla, Alvaro
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Doctoral Programme in Materials Research and Nanoscience
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-10-26
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2808-9
http://hdl.handle.net/10138/305854
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Low and medium energy ion irradiation can induce different structures over the surface of semiconductors and metals depending on the parameters used for the irradiation of the surfaces. Different mathematical models have been developed in the last decades to explain the formation reasons of such structures, such as nano-dots or ripples, and to predict the pattern wavelength. These theories have been discussed and tested for several years. In this work, computational methods are used in order to predict and observe such effects. First, a mathematical model, which uses as an input the results from the computational methods, is applied to predict the pattern wavelength and at which angle the regime changes from stable to unstable. Moreover, a relaxation method to remove the background displacement in amorphous silicon, which affects the prediction is presented. Second, a simulation model of sequential irradiation consisting of the irradiation of a segment of the surface, and speeding-up the eventual modification of the surface is developed. The simulation outputs at ultra-low energy are compared with experimental results. The use of the same model at higher energies and applied to aluminum allows us to obtain conclusions on the reason of pattern formation in both materials at different energies and irradiation angles. The last part of this work contains the results obtained from homogeneously distributed irradiation. The irradiation is performed according to an accelerated molecular dynamics method which reduces the time span between impacts and allows us to reach higher fluences. This latter method allowed us to observe the direct ripple-formation and the propagation of the pattern on the surface for the first time. This study allows to explain and observe the different stages before the eventual ripple formation.Låg eller medium energis jonbestrålning kan orsaka strukturella variationer på ytan av halvledare och metaller beroende på parametervalen för ytbestrålningen. Under det senaste årtioendet har olika matematiska modeller utvecklats för att beskriva härkomsten av strukturerna, t.ex. nanokluster eller -krusningar, samt för att bestämma våglängden av mönstrena. Dessa teorier har diskuterats och testats under flera år. I det här arbetet används beräkningsmetoder för att förutse och observera dessa effekter. Först tillämpas en matematisk modell, som använder resultaten från beräkningsmetoderna, för att förutse våglängden av mönstrena och vid vilken vinkel regimen övergår från stabil till ostabil. Utöver det här presenteras även en metod för att ta bort amorfa kislets bakgrundsförskjutning som inverkar på förutsägelsen. Till näst utvecklades en simulationsmodell för att snabba upp eventuella ytförändringar under sekventiell bestrålning av ett ytsegment. Simulationsresultaten vid ultralåga energier jämförs med experimentella resultat. Användningen av samma modell vid högre energiregimer på aluminium möjliggör slutsatser som beskriver orsakerna till mönsterformationerna hos båda materialen vid olika energier och bestrålningsvinklar. Sista delen av det här arbetet innehåller resultat erhållna med en homogent fördelad bestrålning. Bestrålningen är utförd med en accelererad molekyldynamikmodell som kortar av simulationstiden mellan varje impakt och medför möjlighet till högre fluenser. Den sistnämnda metoden tillät oss att observera den direkta formationen av krusningar samt mönstrenas propagering på ytan för första gången. Studien möjliggör förklaringar och observationer av de olika stadierna före eventuell formning av krusningar.
Subject: Physics
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

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record