Zerstäubung von Gold bei hoher Energiedeposition


Diplomarbeit, 2000

86 Seiten, Note: 1,0


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Werkzeuge
2.1 Vorhandene Werkzeuge
2.2 Potential
2.3 Druckdetektoren
2.4 Cluster-, Energie- und Winkeldetektoren
2.5 Mittelungsprogramme
2.6 Erweiterung von ’Bucky Ball’
2.7 Parallelisierung des Programmes ’impact’

3 Clusterbeschuß von Au (111)
3.1 Motivation
3.2 Modell
3.3 Übersicht
3.4 Yield
3.5 Phasen der Einzelevents
3.6 Einfluß der Ränder
3.7 Zusammenfassung

4 Freier Clusterbeschuß
4.1 Motivation
4.2 Modell
4.3 Übersicht
4.4 Fälle der Einzelevents
4.5 Statistische Daten
4.6 Zusammenfassung

5 Beschuß einer cluster-bedeckten Goldoberfläche
5.1 Motivation
5.2 Modell
5.3 Übersicht
5.4 Fälle der Einzelevents
5.5 Statistische Auswertung
5.6 Zusammenfassung und Ausblick

6 Abhebestudie
6.1 Motivation
6.2 Modell
6.3 Übersicht
6.4 Phasen der Einzelevents
6.5 Statistische Daten
6.6 Zusammenfassung

7 Zusammenfassung

A Verwendete Potentiale
A. l Die Potentiale von Colla
A. 2 Das Potential von Nordlund
A. 3 Übersicht Potentiale

В Druckberechnung
B. l Herleitung
B. 2 Prüfung der Druckformeln

C Parallelisierung
C. l Konzept
C. 2 Effizienz

Kapitel 1 Einleitung

Der Beschuß einer Festkörperoberfläche mit energetischen Teilchen (Atome, Ionen oder Cluster) führt zu einer Vielzahl elementarer Wechselwirkungen auf mikroskopischer Ebene. Beim Aufprall auf die Oberfläche überträgt das einfallende Teilchen Energie durch Stöße auf das Target und regt zudem das elektronische System an. Die übertragene Energie breitet sich im Target aus und führt zu einer Erhöhung der kinetischen Energie (Geschwindigkeit, Temperatur) der betroffenen Targetatome. Breitet sich diese Energie über Stoßkaskaden bis an die Oberfläche aus, so kann es zur Emission von Atomen oder Clustern kommen (Zerstäubung, Sputtering). Wird viel Energie im Target deponiert, kann es zu Defekten (Leerstellen, Zwischenatomen) kommen. Die Oberfläche des Targets kann sich sehr stark verändern. So können sich z.B. Adatóme bilden oder es kann zu regelrechten Kratern kommen.

In den letzten Jahrzehnten wurde eine ganze Reihe von Simulationsstudien zu diesen In­teraktionen von Clustern mit Oberflächen durchgeführt. Über die Ergebnisse von Cluster­Deposition [1], -Implantation [2], Schadenserzeugung im Kristall [3], Targeterosion (sput­tering) [4] und den induzierten Änderungen in der Oberflächentopographie [5] gibt es de­taillierte Veröffentlichungen.

Diese Arbeit befaßt sich mit Gold als metallischem Target. Es werden verschiedene Poten­tiale verwendet und verglichen, die das Gold beschreiben. Die inelastischen Atom-Elektron­Kopplungen werden bei allen verwendeten Potentialen vernachlässigt (vgl. Anhang A).

Studiert wird die Kraterbildung in Goldtargets durch hochenergetischen (16 keV) (Au)<i - Beschuß. Hierzu werden die Druckverhältnisse und Atomgeschwindigkeiten visualisiert und analysiert. Auf diese Art kann die zeitliche Entwicklung der Krater und Kraterwölbungen sehr gut nachvollzogen werden (vgl. Kapitel 3). Diese Ergebnisse sind für Materialwis­senschaftler sehr interessant, die die Eigenschaften von Metallen für verschiedene Einsatz­möglichkeiten prüfen. Zum Grundlagenverständnis sind die Studien der Wechselwirkungen von Clustern mit Oberflächen, sowie die Kraterbildung von Interesse, Experimentatoren [6] haben die Möglichkeit die statistischen Daten auf ihre Ergebnisse zu beziehen.

Weiterhin wird der Beschuß eines im Vakuum befindlichen sphärischen Goldclusters mit einem 100 keV Goldatom simuliert und die Winkel- und Energieverteilungen sowie die Zerstäubungsausbeuten analysiert (vgl. Kapitel 4). Diese Untersuchung ist als Vorstudie zum Beschuß von aus Substraten deponierten Clustern geeignet und behandelt den Son­derfall eines unendlich leichten Substrates (kein Substrat vorhanden). Weiterhin gibt es für den freischwebenden Clusterbeschuß Analogien zu kosmischen Staubpartikeln, die von kosmischer Strahlung getroffen werden.

Für vorstehende Simulationen wurden jeweils verschiedene Potentiale verwendet und die Resultate miteinander verglichen. Die aus den Vergleichen resultierenden Ergebnisse geben interessanten Aufschluß über Realitätsnähe und die Verwendbarkeit der Potentiale für verschiedene Situationen.

Die gleichen Analysen wie für das im Vakuum befindliche Goldcluster, wurden für einen entsprechenden Goldcluster, der auf einem Goldsubstrat deponiert ist, durchgeführt (vgl. Kapitel 5). Da in Experimenten ein freischwebender Cluster schlecht realisiert werden kann und deshalb meist auf einem Substrat deponiert wird, wurde der Beschuß des Gold­clusters somit für ein unendlich leichtes Substrat (gar keins) und ein sehr schweres Substrat (Au) simuliert (Experiment: Au auf a-C [7, 8, 9, 10]). Experimentell kann man auf Gold­oberflächen deponierte Cluster als Target mit aufgerauhter Oberfläche ansehen. In diesem Zusammenhang kann diese Arbeit für Experimentatoren interessant sein, die sich mit auf­gerauhten Metalloberflächen beschäftigen.

In einer weiteren Studie wurde geprüft, inwiefern ein Abheben des Clusters vom Goldsub­strat möglich ist. Hierfür wurde ein Spike (Bereich hoher Energiedichte) unter dem Cluster simuliert, wie er auch durch Beschuß hätte entstehen können. In der Simulation wurden jedoch die Atome vor Beginn der Simulation künstlich ’’aufgeheizt”. Tatsächlich konnte ein Abheben des Clusters beobachtet werden (vgl. Kapitel 6). Mit dieser Beobachtung wur­de das Phänomen, daß beschossene, auf einen Substrat deponierte Cluster abheben [10], nach vollzogen. An diesen Ergebnissen haben Wissenschaftler, die sich mit dem Beschuß von auf Karbonsubstrat deponierten Goldclustern beschäftigen, großes Interesse geäußert [11].

Da die Simulationen z.T. sehr lange dauerten (mehrere Wochen), wurde das Molekular­dynamik-Programm parallelisiert, um so die Multiprozessorumgebung im Rechenzentrum besser nutzen zu können und die Simulationsdauern in allen Simulationen deutlich redu­zieren zu können. Das umfangreiche Gesamtkonzept für die Parallelisierung findet man im Anhang C.

Kapitel 2 Werkzeuge

Ein wichtiger Bestandteil einer jeden Physik-Diplomarbeit ist das Entwickeln benötigter Werkzeuge zur Messung von zu analysierenden Daten. So entwickelt z.B. ein Laserphysiker Laser und entsprechende Lichtdetektoren. Ebenso müssen die Werkzeuge in der Compu­tersimulation entwickelt werden. Es handelt sich dabei um Computerprogramme zum Durchführen der Simulationen, zum Detektieren der gewünschten Daten und schließlich zum Analysieren dieser Daten.

2.1 Vorhandene Werkzeuge

Am Lehrstuhl waren bereits einige sehr leistungsstarke Werkzeuge vorhanden, die verwen­det und weiterentwickelt werden konnten:

Das Simulationsprogramm ’impact’ , das anhand des Beispielpotentials für Kupfer MD- Schritte durchführen kann, ’impact’ berechnet für jeden MD-Schritt die Geschwindigkeiten, Energien und Kräfte der Teilchen und schließt daraus auf deren neue Positionen. Hierfür setzt ’impact’ bereits den Linked-Cell-Algorithmus und Verlet-Listen zur Beschleunigung ein. Nach jedem MD Schritt ruft ’impact’ automatisch interne Detektoren auf, die für jedes Teilchen Temperatur und Druckverhältnisse erschließen.

Das Visualisierungstool ’Bucky Ball’ kann jedes Atom als farbigen Ball perspektivisch dar­stellen. Über die Farbe des Atomballes kann man so leicht detektierte Größen darstellen und erkennen. Über die leistungsstarken Darstellungsmöglichkeiten ist es leicht, die inter­essanten Bereiche zu fokussieren.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden die vorhandenen Werkzeuge z.T. sehr stark er­weitert und weitere Werkzeuge entwickelt. Dabei wurden über 20000 Zeilen neuer Code in C bzw. in Skriptspracheii erzeugt und insgesamt über 100 GB Simulationsdaten erzeugt und ausgewertet.

2.2 Potential

Das Kernstück eines jeden Molekulardynamik Simulationsprogrammes ist das Potential. Aus ihm werden die Kräfte abgeleitet und alle weiteren Folgeschritte bestimmt.

Da die Potentiale nur an gewisse Größen genau angepaßt sind (über Fits) und es verschie­den Potentialformen gibt, die verschiedene experimentelle Größen mit unterschiedlicher Genauigkeit beschreiben, ist die Wahl des Potentiales nicht eindeutig.

Die Simulationsdaten von Thomas Colla, die in dieser Diplomarbeit verwendet worden sind, wurden mit dem Colla-Potential [12] erzeugt. In Veröffentlichungen anderer Arbeitsgrup­pen wurden jedoch andere Potentiale verwendet. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden die Potentiale von Thomas Colla sowie das Nordlund-Potential (aufgebaut auf dem Po­tential von Daw und Foiles) [13, 14, 15] geprüft und verwendet. In der ersten Studie, bei der sich der Diplomand für ein Potential entscheiden mußte, wurden jedoch noch weitere Potentiale geprüft, wie z.B. das von Ackland [16].

Es ist nun interessant zu sehen, welche Unterschiede in den erzielten Simulationsergebnissen auftreten, wenn man ein anderes Potential verwendet und exakt dieselben Simulationen durchführt.

Die implementierten und verwendeten Potentiale werden im Anhang A (Seite 60 ff.) ge­nauestem beschrieben.

2.3 Druckdetektoren

Es wurde ein Druckdetektor für die MD Simulationsdaten geschrieben. Zur Druckberech­nung findet man weitere Informationen im Anhang В (Seite 67 ff.).

Zur Druckberechnung der Daten von Thomas Colla wurde keine neue Simulation durch­geführt. Es wurde stattdessen ein Programm geschrieben, das nachträglich aufgrund der vorhandenen Atompositionen mit dem Potential von Thomas Colla die Kräfte zwischen den Atomen und daraus die entsprechenden Drucke bestimmt. Dieses Programm verwendet zur Zeitoptimierung dieselben bzw. ähnliche Algorithmen wie ’impact’ .

2.4 Cluster-, Energie- und Winkeldetektoren

Am Lehrstuhl war bereits ein Programm vorhanden, das Cluster detektiert, indem es alle Atompositionen überprüft und feststellt, welche Atome mit welchen wechselwirken (im Rahmen des Abschneideradius). Es kann so ein Spektrum erzeugen, das aussagt, wieviele Cluster welcher Art vorhanden sind.

Dieses Programm wurde nun derart erweitert, daß es für jeden Cluster noch die Schwer­punktsgeschwindigkeit errechnet und aufgrund der Richtung dieser Geschwindigkeit den Winkelbereich festlegt, in dem der Cluster durch einen physischen Detektor detektiert worden wäre.

Mit diesem Programm wurden die Clusterausbeuten pro Raumwinkel und deren Energien bei Beschuß des sphärischen Goldtargets berechnet. Auch die allgemeinen Energievertei­lungen in dieser Arbeit wurden mit dem erweiterten Programm berechnet.

2.5 Mittelungsprogramme

Zur angepaßteren Darstellung wurden verschiedene Mittelungsprogramme entwickelt. So ist es z.B. möglich, in Blöcken (Würfeln) zu mittein und die gemittelten Daten in den Blockmittelpunkten darzustellen. Dieses Verfahren wurde z.B. bei den Strömungsbildern (Pfeilbildern) verwendet. Alternativ kann auch in Kugelradien um jedes Atomteilchen gemittelt und die so gemittelten Werte an den Atompositionen dargestellt werden. Diese Darstellungsart wurde in dieser Diplomarbeit für die Druckdaten durchgehend verwendet.

Die Mittelungsprogramme wurden auf Geschwindigkeit optimiert und so gestaltet, daß sie über Argumente und Optionen an jede konkrete Problemstellung leicht an gepaßt werden können. So können z.B. für die Blockmittelung Koordinaten angegeben werden, inner­halb derer gemittelt werden soll. Dies vermeidet, daß viele leere Blöcke verwaltet werden müssen, wenn ein gesputtertes Atom sich weit vom Bulk entfernt hat. Auch in diesen Programmen wurden Nachbarschaftslisten zur Zeitoptimierung angelegt.

2.6 Erweiterung von ’Bucky Ball’

’Bucky Ball’ wurde so erweitert, daß es neben Bällen auch Pfeile zur Darstellung von Strömungsfeldern erzeugen kann.

Es ist nun möglich, in ’Bucky Ball’ mit derselben Kontrolldatei, die Blickwinkel, Ausgangs­punkt und andere perspektivische Größen definiert, auch Pfeilbilder zu erzeugen. Die Pfeile können nach Bedarf automatisch normiert und skaliert werden. Auch die Anzeige einer Eiiiheitspfeil-Rose (ähnlich einer Kompaßrose) wird unterstützt. Die Pfeile können hierbei ebenso perspektivisch dargestellt werden wie zuvor die Bälle. Auch die Kombination von Ball- und Pfeildarstellung ist möglich, so daß auf einem Bild gleichzeitig z.B. sowohl die Atomdrucke durch farbige Bälle, als auch die Atomgeschwindigkeiten durch Pfeile darge­stellt werden können.

2.7 Parallelisierung des Programmes ’impact’

Das ’impact’ Programm wurde parallelisiert, um so in Multiprozessorumgebungen schneller arbeiten zu können. Die meisten der Simulationen dieser Diplomarbeit sind mit dem parallelisierten ’impact’ durchgeführt worden. Details über die Parallelisierung finden sich im Anhang C (Seite 72 ff.).

Kapitel 3 Clusterbeschuß von Au (111)

3.1 Motivation

Beim hochenergetischen Ionenbescliuß von Festkörpern kommen grundsätzlich 2 Prozesse zum Tragen: die gut bekannten Gesetze der linearen Kollisionskaskaden [17], sowie die Effekte durch hochenergetische Spikes [6, 18, 19] unter der Oberfläche, die zu einer dra­matischen Erhöhung der Yieldausbeute [18] führen. Molekulardynamische Simulationen haben geholfen, Probeninneres- und Oberflächenschäden durch Spikes besser zu verstehen [20] . Die Fortschritte auf diesem Gebiet sind durch den rechnerisch sehr hohen Aufwand der Simulationen begrenzt. Es müssen große räumliche und zeitliche Systeme simuliert wer­den und über viele dieser Simulationen gemittelt werden, um statistisch vertrauenswürdige Aussagen machen zu können.

Während es bereits eine große Anzahl Simulationsstudien zur Deposition [1], Implantation [2], Sputtering [4] und Oberflächenänderungen [5] gibt, befaßt sich dieses Kapitel mit der eingehenden Studie der Kraterbildung und schließt an Arbeiten von Thomas Colla [21, 22] und Ralf Aderjan [23] an, die Zerstäubungsausbeuten, Temperaturverteilungen und Kratergrößen ausgewertet haben.

Da es bisher noch keine detaillierten Veröffentlichungen zum Verlauf der Kraterbildung und deren Wällen gibt, werden in diesem Kapitel sowohl die Yielddaten analysiert als auch der zeitliche Verlauf der Kraterbildung durch Analyse der Druck- und Strömungsdaten von zwei verschiedenen Potentialen herausgearbeitet.

3.2 Modell

Es wurde ein Goldkristall (215x124x54 Monolagen, ca. 240000 Atome) simuliert, der den bisherigen Targets entspricht, die bei vielen Veröffentlichungen verwendet worden sind. Auf dieses Target ist mit einem (Au)4-Cluster mit der Energie 16 keV senkrecht auf die (111) Oberfläche geschossen worden. Das Target wurde an fünf Ränder gedämpft, die Atome der Einschußfläche waren ungedämpft und konnten sich frei bewegen. Die Clusterorientie­rung und der Einschußpunkt sind für jedes Event in der irreduziblen Einheitszelle zufällig gewählt worden. Es wurden jeweils 8 Events zu je 10 ps (Colla) bzw. 20 ps (Nordlund­Potential) simuliert. Ein Atom oder Cluster gilt als gesputtert, sobald es den Einflußbe­reich aller anderen Atome verlassen hat. Eine genaue Diskussion der Yieldausbeuten in Abhängigkeit verschiedener Parameter ist in der Literatur zu finden [12, 22].

In allen Fällen sind bei den folgenden Strömungsbildern die Geschwindigkeiten aufgetra­gen. Zur besseren Abschätzung wird außerdem eine Einheitspfeilrose in den Bildern ein­gezeichnet, deren Pfeillänge der Schmelzgeschwindigkeit umeit entspricht, die sich wie folgt berechnet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Als Werte wurden hier die Schmelztemperatur des experimentellen Goldes [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] und die Masse von Gold [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] kg sowie die Boltzmann Konstante кв eingesetzt. Es ergibt sich die Geschwindigkeit [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] die der Schmelztemperatur Tmeit entspricht.

Die Atomgeschwindigkeiten wurden 1.5oo großen Blöcken zugeordnet (ao entspricht der Gitterkonstante von 4.08 A). Vom Zentrum eines jeden Blockes aus wurde ein Pfeil, dessen Pfeillänge und -winkel der gemittelten Geschwindigkeit des Blockes entspricht, aufgetragen. Nur die Projektion auf die dargestellte Ebene wird gezeigt, die vertikale Komponente wird unterdrückt.

Die folgenden Virialabbildungen zeigen farblich die Viriale, genormt auf das Kompressi­onsmodul (В = 1.732 · 1011 Pa [24]). Der lokale Druck besteht nach ca. 1 ps hauptsächlich aus dem potentiellen Beitrag. Der kinetische Anteil des Druckes fällt nur zu früheren Zeitpunken ins Gewicht.

3.3 Übersicht

Im folgenden werden die Yields für alle 8 Events des Nordlund-Potentials besprochen und mit den Werten des Colla-Potentiales verglichen.

Weiterhin wird ein Event der Nordlund Simulationen als charakteristisches Event verwen­det, aus dem die Daten für die Darstellungen entnommen sind. Dieses Event besitzt wie im folgenden gezeigt wird ein ca. durchschnittliches Yield.

Es gibt vier Phasen beim Beschuß des Goldtargets:

1. Einschlagsphase
2. Druckwellen- und Strömungsphase
3. Flußphase
4. Rückflußphase

Die Phasen, die im folgenden verglichen werden, treten bei beiden Potentialen auf, jedoch kann es wegen der unterschiedlichen Schmelztemperatur zu Zeitverschiebungen kommen.

3.4 Yield

In einer Studienreihe wurde bestimmt, daß 18 ps simuliert werden müssen, bis die Ergeb­nisse konvergieren. Das sind 8 ps länger als die Berechnungen von Colla, da die Schmelz­temperatur des Nordlund-Potentiales mit 1090 К bedeutend niedriger liegt als die 1338 К bzw. 2180 К von Thomas Colla.

Tabelle 3.1: Yieldausbeuten der einzelnen Events der Simulationen mit dem Nordlund-Potential

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wie erwartet fällt die Wahrscheinlichkeit für die Emission mit der Clustergröße (Abbildung 3.1). Dimere sind jedoch sehr wahrscheinlich. Diesem Resultat ist jedoch aufgrund der ge­ringen Verläßlichkeit des Nordlund Dimerpotentials (siehe Anhang) keine große Bedeutung zuzumessen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Mittlere Clusterhäufigkeit Y(n) der Simulationen mit dem Nordlund-Potential, aufgetragen auf der Clustergröße

Diese Yieldberechnungen wurden ebenfalls von Thomas Colla mit zwei verschiedenen ei­genen Goldpotentialen durchgeführt. Das Goldpotential mit einer Schmelztemperatur von 2180 К erzeugte einen durchschnittlichen Yield von 350, während das Potential, dessen Schmelztemperatur an den experimentellen Wert von 1338 К angepaßt ist, 542 als durch­schnittlichen Yield erzeugte. Diese Werte sind in Abbildung 3.2 mit dem durchschnittli­chen Yield des Nordlund-Potentials (Tabelle 3.1) mit der Schmelztemperatur 1090 К auf der Schmelztemperatur aufgetragen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2: Durchschnittliche Yields aufgetragen auf der Schmelztemperatur des Simula-tionspotentiales

Wie erwartet steigt der Yield mit fallender Schmelztemperatur, also weicherem Gold. Ab­bildung 3.2 zeigt diesen Zusammenhang.

3.5 Phasen der Einzelevents

Phase I: Einschlag

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.3: Virialverteilung des Colla-Potentials (links) und des Nordlund-Potentials (rechts) kurz nach dem Einschlag des Projektils. Farbcode: Virial geteilt durch Kompressionsmodul. Gezeigt wird ein Querschnitt durch den Mittelpunkt (Einschlagsort) der Probe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.4: Geschwindigkeitsverteilungen des Colla-Potentials (links) und des Nordlund­Potentials (rechts) kurz nach dem Einschlag des Projektils

Kurz nach dem Impakt des Projektils bildet sich ein Überdruck unter dem Einschlagort aus, während sich ein leichter Unterdrück und eine Auswölbung an der Einschlagstelle selbst er­kennen läßt (Abbildung 3.3). Dies ist auf eine Explosion am Einschlagort zurückzuführen, die die Teilchen in alle Richtungen davondrückt. Die Teilchen, die weiter in den Kristall geschoben werden, erleiden einen starken Überdruck, während die Teilchen, die sich über die Oberfläche schieben, aufgrund der geringen Teilchendichte tensil zeigen. Es kommt zu einer Gasifikation [25] (bzw. einer Phasenexplosion [26], Mikroexplosion [27]), die auf den Geschwindigkeitsverteilungen (Abbildung 3.4) dargestellt ist. Das Flußgeschwindig­keitsprofil erscheint nahezu sphärisch symmetrisch. Alle Atome bewegen sich radial vom Mittelpunkt weg, der ca. 18 Â unter der Oberfläche liegt.

Es folgt Emission aufgrund der hohen Energiedichte (Temperatur [22]) und Druckdichte in der Einschlagsregion, die die Bindungsenergie reduzieren und zu einer Änderung der Oberflächentopographie führen.

Die Phasendauern wurden grob anhand eines Filmes [28] abgeschätzt, der mit den Simu­lationsdaten erzeugt worden ist.

Diese Phase dauert ca. 0.8 ps im Colla- bzw. 1.2 ps im Nordlund-Potential.

Phase II: Druckwellen- und Strömungsphase

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.5: Virialverteilungen des Colla-Potentials (links) 0.9 ps und des Nordlund­ Potentials (rechts) 1.6 ps nach Projektileinschlag

In der zweiten Phase erkennt man wie die Stoßwelle sich in der Probe ausbreitet und an den Kraterrändern sich Unterdruckphasen ausbilden, die die Atome aus dem Probeninneren anziehen (Abbildung 3.5). Es gibt einen starken Atomfluß aus dem Krater V-förmig nach oben und außen.

Auch die Strömungsaufnahme (Abbildung 3.6) läßt die sich ausbreitende Druckwelle gut erkennen. Die Oberfläche bricht die radiale Symmetrie der sich ausbreitenden Schockwelle und Atome und Cluster können emittiert werden. Die gleichmäßige starke Strömung aus dem Krater heraus ist klar erkennbar.

In beiden Abbildungen ist eine klar definierte Grenze zwischen dem kalten Material und dem expandierenden heißen Gold erkennbar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.6: Geschwindigkeitsverteilungen des Colla-Potentials (links) und des Nordlund­Potentials (rechts) 0.9 ps bzw. 1.6 ps nach Projektileinschlag

Diese Phase dauert ca. lps (Colla-Potential) bzw. 1.4 ps (Nordlund-Potential).

Phase III: Flußphase

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.7: Virialverteilungen des Colla-Potentials (links) 1.8 ps und des Nordlund-Potentials (rechts) 2.2 ps nach Projektileinschbg

Die dritte Phase, die zeitlich sehr lange dauert (4 ps bzw. 6 ps) und in der sich der Krater schon weitgehend gebildet hat, ist hier anhand zweier zeitlicher Aufnahmen dargestellt. Die tensilen Kraterrandwölbungen ziehen weiterhin Atome an (Abbildungen 3.7 und 3.9).

Der Krater ist von einer geschmolzenen Atomschicht von mehreren Monolagen bedeckt, die auf der Krateroberfäche tangential nach oben und außen zu den Kraterrandwölbungen fließen (Abbildungen 3.8 und 3.10).

Während der Kristall schon zum größtenteil rekristallisiert ist, behalten diese Schmelz­schicht und die Kraterwölbungen noch recht lange eine hohe Energie. Dies ist zumindest teilweise auf die latente Kondensationswärme zurückzufiihren, die die Kristallisation ver­hindert [29].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.8: Geschwindigkeitsverteilungen des Colla-Potentials (links) und des Nordlund­Potentials (rechts) 1.8 ps bzw. 2.2 ps nach Projektileinschlag

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.9: Virialverteilungen des Colla-Potentials (links) 3.0 ps und des Nordlund­ Potentials (rechts) 4.0 ps nach Projektileinschlag

Die Atome in den Kraterwölbungen bleiben am längsten mobil. Aus diesen Wölbungen lösen sich spätere (t > 5ps) größere Cluster ab.

Es sei darauf hingewiesen, daß wir jegliche elektronische Wärmeleitung in unseren Poten­tialen vernachlässigen. Diese würde das System schneller abkühlen lassen [30, 31], jedoch ist der Einfluß der inelastischen Atom-Elektron Kopplung und der damit verbundene Ener­gietransfer in den unterdichten, hochenergetischen und stark ungeordneten Einschußzonen unklar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.10: Geschwindigkeitsverteilungen des Colla-Potentials (links) und des Nordlund­Potentials (rechts) 3.0 ps bzw. 4.0 ps nach Projektileinschlag

Phase IV: Rückflußphase

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.11: Virialverteilung des Colla-Potentials (links) und des N ordì und-Potentials (rechts) 6.2 ps bzw. 13.0 ps nach Projektileinschlag

Schließlich ist eine letzte Phase erkennbar, in der die Atome aufgrund eines entstandenen Unterdrucks (Abbildung 3.11) im Kraterboden wieder zurückfließen (Abbildung 3.12). Die­se Phase dauert an, bis sich die Energie vollkommen verteilt hat und das Target eingefroren ist.

3.6 Einfluß der Ränder

Es wurde in einer Versuchsreihe analysiert, ob die gedämpften Ränder der Probe einen Ein­fluß auf die Resultate haben. Konkret wurde untersucht, ob der Nachfluß der Atome von unten, der auf dem Pfeilbild bei 3.0 ps (Abbildung 3.10) zu sehen ist, aufgrund von Reflek- tion am unteren Rand aufgetreten ist. Vergrößerte Strömungsbilder des unteren Randes

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.12: Geschwindigkeitsverteilungen des Colla-Potentials (links) und des Nordlund­Potentials (rechts) 6.2 ps bzw. 13.0 ps nach Projektileinschlag

zu verschiedenen Zeiten lassen darauf schließen, daß es sich dabei nicht um Randeffekte handelt, sondern um Strömungen, die durch die bestehenden Druckverhältnisse entstanden sind.

3.7 Zusammenfassung

Das Nordlund-Potential besitzt eine höhere Yield Ausbeute als die beiden Colla-Potentiale, was teilweise auf die niedrigere Schmelztemperatur des Nordlund-Potentials zurückzufüh­ren ist. Das Nordlund-Potential zeigt eine realitätsferne Dimerausbeute, was u.a. am ungenauen Dimerpotential liegt (vgl. auch Anhang A, Seite 60 ff.). Generell nimmt die Yieldausbeute mit zunehmender Schmelztemperatur ab.

Sowohl die Colla-Potentiale als auch das Nordlund-Potential beschreiben offensichtlich die gleichen physikalischen Prozesse, und es konnte beobachtet werden, daß die beschriebenen vier Hauptphasen bei beiden Potentialen auftreten. Die Phasen beim Nordlund-Potential dauern länger als beim Colla-Potential. Deshalb mußten auch bedeutend längere Simula­tionen durchgeführt werden.

Wölbungen der Kraterränder bilden sich hauptsächlich in der zweiten Phase während der Kraterformung und dem Ausstülpen des Kraters und in der dritten Phase, in der ge­schmolzene Atome in einem langsamen Prozeß entlang des Kraters nach außen zu den Unterdruckorten fließen.

Die Fluß- und Druckverteilungen unterscheiden sich von Simulationsergebnissen [32] mit sehr großen Clustern (> 100 Atome), wo die Kompression des Materials unter dem ein­schlagenden Projektil von stärkerer Bedeutung ist.

Kapitel 4 Freier Clusterbeschuß

4.1 Motivation

Atombeschuß kleiner Cluster kann zu sehr hoher Energiedeposition innerhalb der Cluster und damit zu stark ausgeprägten Folgephänomenen führen. Die Zerstäubungseffekte sind bereits ausführlich für Festkörper [17, 33, 34, 35] erforscht worden. Es wird jedoch erwartet, daß in kleineren Systemen diese Effekte weitaus stärker auftreten.

Experimentell liegen keine Daten für mit Atomen beschossene freie Cluster vor, jedoch wurden auf Substrat deponierte Clusterbeschüsse von Baranov [7, 8, 9, 10] detailliert un­tersucht. Auch 100 keV-Au-Atombeschuß von planen Goldtargets ähnlicher Größe wurden kürzlich untersucht [36, 37].

In Anlehnung an diese Experimente von Baranov wird der Beschuß eines sphärischen Gold­targets simuliert. Ziel dieser Untersuchung ist die Analyse der Clusterausbeute, der Winkel­und Energieverteilung sowie der grundlegenden Prozesse, die bei diesem Beschuß stattfin­den.

Da Baranov seine Cluster auf einer amorphen Karbonoberfläche deponiert hat, es den Rahmen der Diplomarbeit jedoch sprengen würde ein Karbonsubstrat (kovalentes Mate­rial, vollkommen andere Interaktionen) zu implementieren, wurden die Simulationen in 2 Grenzfällen durchgeführt. Zum ersten ohne Untergrund-Substrat (also unendlich leichtes Substrat) und zum zweiten mit einem Goldsubstrat (also einem sehr schweren Substrat). Auf diese Art ist es möglich, die Resultate auch für andere Substrate auszulegen. Dieses Kapitel beschreibt den ersten Fall: Ein Cluster im Vakuum, ohne Substrat.

Die relativ kurzen Simulationsdauern (wenige Tage) dieses Teilabschnittes werden ver­wendet, um die Potentiale von Colla und Nordlund (Siehe auch Anhang A, Seite 60) miteinander zu vergleichen.

4.2 Modell

Die Simulationen wurden für jeweils 17 Events mit dem Nordlund-Potential und dem Colla-Potential mit unangepaßter Schmelztemperatur (Tmeit=2180 K) durchgeführt. Es wurde das unangepaßte Colla-Potential verwendet, weil dieses sich stärker vom Nordlund­Potential unterscheidet als das angepaßte Colla-Potential und das Dimerpotential viel ge­nauer die experimentellen Daten von Golddinieren wiederspiegelt. Es wird also ein beson­ders gutes Dimerpotential (Colla) mit einem Potential mit genauerer Schmelztemperatur verglichen (Nordlund). Für eine genaue Beschreibung der Potentiale sei hier auf den An­hang A (Seite 60 ff.) verwiesen.

Das sphärische Goldtarget wurde aufgebaut, indem aus einem Goldblock mit definierter Oberfläche (also (111)-, (110)- oder (lOO)-Oberfläche) eine Kugel ausgeschnitten wurde. Diese Kugel (15784 Atome, Radius: 40 Â) wurde senkrecht (ϋ = 180°, zur Definition von ϋ vgl. Seite 31) mit einem Gold-Monomer der Energie 100 keV so beschossen, daß das Pro­jektil beim zentralen Schuß ohne Ablenkung den Mittelpunkt des Clusters getroffen hätte. Die Auftreffpunkte des Projektils auf dem Cluster wurden zufällig, nahe dem zentralen Einschußpunkt (max. 2 Â entfernt) gewählt. Es wurden jeweils 20 ps simuliert.

Die Simulationen wurden versuchsweise mit den Beschußoberflächen (100), (HO) und (111) durchgeführt. Es ergab sich, daß bei allen drei Oberflächen hauptsächlich drei grundlegen­de Effekte (mit evtl, unterschiedlichen Wahrscheinlichkeiten) auftreten. Alle weiteren Simulationen wurden ausschließlich mit der (111) Oberfläche durchgeführt.

4.3 Übersicht

Es wird beobachtet, daß die physikalischen Effekte der exakt gleich konfigurierten Events weitgehend potentialunabhängig sind. Es treten also bei den selben Events mit dem Colla- Potential die gleichen Effekte wie bei dem Nordlund-Potential auf. Die detektierten Größen unterscheiden sich jedoch.

Es treten im wesentlichen drei Effekte auf:

1. Glatter Durchschuß, bei dem das Projektil so gut wie keine Energie deponiert und den Cluster durchschlägt, fast ohne Wechselwirkung mit den Atomen des Targets.
2. Das Projektil wechselwirkt sehr stark im Cluster, deponiert seine kinetischen Energie und führt zu einer explosionsartigen Zerstäubung. Das Projektil muß bei diesem Event den Cluster nicht ganz durchschlagen.
3. Einen Mittelfall der beiden oben Genannten. Das Projektil deponiert einen Teil seiner Energie in einer schlauchartigen Region um seinen Weg durch den Cluster herum. Die Ergebnisse dieses Falles können je nach deponierter Energie vielfältig sein.

Eine Aussage über die Wahrscheinlichkeit jedes dieser Fälle kann aufgrund der geringen Zahl der studierten Simulationen nicht gemacht werden.

4.4 Fälle der Einzelevents

Im folgenden werden je ein Beispiel aus den 3 oben beschriebenen Fällen ausgewählt und als Einzelevent beschrieben. Die Studien werden anhand der Simulationen mit dem Nordlund­Potential vorgestellt. Zum Vergleich werden Daten aus den Colla Simulationen gesondert aufgeführt und beschrieben, meistens werden Endzustände verglichen.

Fall 1: Durchschuß, geringe Energiedeposition

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.1: Cluster O.lps nach Einschuß. Abbildung Dargestellt sind alle geschmolzenen Atome. Die Farbdarstellung entspricht der Tempera­tur geteilt durch die Schmelztemperatur. Si­muliert wurde mit dem Nordlund-Potential

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4.2: Cluster 0.4 ps nach Einschuß,Nordlund-Potential

Bei der hier dargestellten Simulation (Abbildungen 4.1 bis 4.4) durchschoß das Projektil den gesamten Cluster ohne starke Ablenkung und deponierte nur sehr wenig Energie. Die­ses Event soll stellvertretend für die Durchschuß-Events stehen.

[...]

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Details

Titel
Zerstäubung von Gold bei hoher Energiedeposition
Hochschule
Technische Universität Kaiserslautern  (Fachbereich Physik)
Note
1,0
Autor
Jahr
2000
Seiten
86
Katalognummer
V120
ISBN (eBook)
9783638100830
Dateigröße
16557 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Achtung, sehr große Datei (460 MB)!
Schlagworte
Zerstäubung, Gold, Energiedeposition
Arbeit zitieren
Rolf Kissel (Autor), 2000, Zerstäubung von Gold bei hoher Energiedeposition, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/120

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