Effects of nuclear and electronic stopping power on ion irradiation of silicon-based compounds

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-8087-6
Title: Effects of nuclear and electronic stopping power on ion irradiation of silicon-based compounds
Author: Backman, Marie
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Division of Materials Physics
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2012-12-15
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-8087-6
http://hdl.handle.net/10138/37606
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Ion irradiation is used to analyze and modify the structure of condensed matter. It can for instance be used to form and shape nanocrystals in solids. In research on materials for high radiation environments, ion beams function as a controlled source of irradiation for studying the basic mechanisms of ion-solid interactions and for analyzing the structure of materials by methods like Rutherford backscattering spectrometry. Understanding the fundamental processes that take place in a material under ion irradiation is important for all these applications of ion beams, and of great interest from a basic science point of view. The mechanisms involved during ion irradiation-induced displacement of atoms in uniform bulk solids are fairly well understood and described in the literature, but many unresolved questions remain regarding the structural modification caused by electronic interactions, and the radiation response of materials with phase boundaries. Especially ion irradiation of nanomaterials is a topic that is under active research. The short-lived collision cascades caused by energetic ions in solids cannot be studied in experiments and are therefore often modeled in computer simulations. Such simulations can give a host of valuable information about processes that occur in nature. It is necessary to validate simulation results by either some other computational method, or ideally by experiments. Ions lose energy by elastic collisions with the atomic nuclei as well as to the electronic system through excitation and ionization. Both energy loss mechanisms - nuclear and electronic stopping - can cause modifications to the structure of the material. In this thesis, molecular dynamics simulations are carried out in close collaboration with experimental scientists in order to study the effects of nuclear and electronic stopping during ion irradiation on nanoclusters and bulk materials. The amorphization of germanium and silicon nanocrystals in silica under ion irradiation is studied in simulations. The amorphization dose of nanocrystals is much lower than for bulk materials and it is furthermore found to depend on the size of the nanocrystals. The inelastic thermal spike model is explored as a method of incorporating electronic stopping effects into molecular dynamics. The simulations predict that local heating due to electronic stopping contributes to irradiation damage in both nanocrystals in silica and bulk silica. In silicon carbide, high electronic stopping is found to recrystallize irradiation damaged samples. Molecular dynamics simulations of inelastic thermal spikes support the hypothesis that the observed recrystallization is induced by local heating due to electronic stopping. We need a combination of computer simulations and experimental observations to explain many of the complex processes that take place during ion irradiation. The results in this thesis give insight into some experimentally observed phenomena of the effect that nuclear and electronic energy loss have in materials, but especially the research on combined effects is still in its infancy and further progress can be expected in the near future.Joner är atomer med elektrisk laddning vilka kan uppnå hög hastighet i en partikelaccelerator. När sådana jonstrålar träffar materia kommer de att kollidera med materialets atomer. Jonbestrålning kan därför användas för att förändra, och analysera, strukturen hos fasta material. Inom forskning i material som ska utstå höga strålningsdoser, till exempel för kärnkraftverk eller ute i rymden, fungerar jonstrålar som en kontrollerad källa till strålning, med vilken man kan studera mekanismerna för växelverkan mellan joner och material. Att förstå de fundamentala processer som sker i ett material under jonbestrålning är viktigt för dessa tillämpningar av jonbestrålning, och också av stort intresse inom grundforskning. Vi är idag relativt insatta i de mekanismer som sker vid växelverkan mellan joner och atomer i ett bulkmaterial, men det finns ännu många olösta frågor gällande hur jon-elektronväxelverkningar kan ändra strukturen hos material, och hur material med fasgränser beter sig under jonbestrålning. Speciellt jonbestrålning av nanomaterial är ett ämne som det forskas aktivt i. De kortvariga kollisionskaskaderna som orsakas av energetiska joner i fasta ämnen kan inte observeras i experiment och simuleras därför ofta med hjälp av datormodeller. Sådana simuleringar kan ge en mängd av information om processer som sker i naturen. Det är dock nödvändigt att bekräfta resultat från simuleringar med antingen en annan beräkningsmetod, eller företrädesvis i experiment. Joner förbrukar sin energi i elastiska kollisioner med atomernas kärnor samt till materialets elektroner genom excitation och jonisering. Båda växelverkningsmekanismer nukleär och elektronisk bromskraft kan orsaka förändringar i strukturen hos material. I den här avhandlingen utförs molekyldynamiska simuleringar, i nära anslutning till experiment, för att studera effekterna av nukleär och elektronisk bromskraft under jonbestrålning av nanoklustrar och bulkmaterial. Under jonbestrålning kan kristallina ämnen förlora sin kristallstruktur. Genom molekyldynamiska simuleringar visar vi att halvledarmaterial i nanostorlek förlorar sin kristallstruktur vid betydligt lägre strålningsdoser än det motsvarande bulkmaterialet, och att den så kallade amorfiseringsdosen är lägre ju mindre nanostrukturerna är. Den elektroniska bromskraften visar sig också bidra betydligt till strålskador i nanoklustrar och i kiseldioxidglas. I kiselkarbid däremot, observerar vi att jon-elektronväxelverkningarna har en återställande effekt på kristaller som tidigare blivit strålskadade av joner med mycket låg elektronisk bromskraft. Att simuleringarna överensstämmer mycket väl med resultaten från jonbestrålningsexperiment visar på att de använda datormodellerna är tillförlitliga. En kombination av datorsimuleringar och experimentella observationer är nödvändigt för att förklara många av de komplexa processer som äger rum vid jonbestrålning. Resultaten i den här avhandlingen ger insikt i några experimentellt observerade fenomen av effekten som av nukleär och elektronisk bromskraft har i material. Dock är forskningen i kombinerade effekter ännu i startgroparna och nya framsteg kan väntas inom en snar framtid.
Subject: fysik
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
backman_dissertation.pdf 1.104Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record