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. Adatome bilden oder es kann zu regelrechten Kratern kommen.
In den letzten Jahren wurde eine ganze Reihe von Simulationsstudien zu diesen Interaktionen von Clustern mit Oberflächen durchgeführt. Über die Ergebnisse von Cluster-Deposition [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-Elektron-Kopplungen werden bei allen Potentialen vernachlässigt (vgl. Anhang A).
Studiert wird die Kraterbildung in Goldtargets durch hochenergetischen (16 keV) (Au)4 - 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 Einsatzmöglichketien 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).
[...]
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.1 Die Potentiale von Colla
A.2 Das Potential von Nordlund
A.3 Übersicht Potentiale
B Druckberechnung
B.1 Herleitung
B.2 Prüfung der Druckformeln
C Parallelisierung
C.1 Konzept
C.2 Effizienz
Zielsetzung und Themen
Diese Diplomarbeit untersucht mittels Molekulardynamik-Simulationen die physikalischen Vorgänge bei der Zerstäubung von Goldtargets unter verschiedenen Bedingungen. Das primäre Ziel ist es, das Verständnis für die Wechselwirkungen von energetischen Teilchen (Clustern und Atomen) mit Oberflächen zu vertiefen sowie die Auswirkungen auf Kraterbildung und Materialabtrag zu analysieren.
- Analyse der Kraterbildung beim Beschuss von Goldoberflächen.
- Untersuchung von Stoßprozessen und Energiedeposition in Goldclustern.
- Vergleich verschiedener Potentialmodelle zur Beschreibung atomarer Wechselwirkungen.
- Entwicklung und Optimierung von Algorithmen zur effizienten Simulation auf Multiprozessorsystemen.
- Statistische Auswertung von Zerstäubungs- und Winkelverteilungen.
Auszug aus dem Buch
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, Zwischenatome) kommen. Die Oberfläche des Targets kann sich sehr stark verändern. So können sich z.B. Adatome 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 Cluster-Deposition [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-Elektron-Kopplungen werden bei allen verwendeten Potentialen vernachlässigt (vgl. Anhang A).
Studiert wird die Kraterbildung in Goldtargets durch hochenergetischen (16 keV) (Au)4 -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 Materialwissenschaft 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.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Stellt das Forschungsgebiet der Zerstäubung durch Clusterbeschuss vor und definiert die Zielsetzung der Simulationen.
2 Werkzeuge: Beschreibt die verwendeten Simulationsprogramme, Potentialmodelle und die implementierte Parallelisierung.
3 Clusterbeschuß von Au (111): Analysiert detailliert den Beschuss von massiven Goldoberflächen und die resultierende Kraterbildung.
4 Freier Clusterbeschuß: Untersucht die physikalischen Effekte bei der Interaktion eines Goldmonomers mit einem isolierten Goldcluster.
5 Beschuß einer cluster-bedeckten Goldoberfläche: Erforscht die Auswirkungen des Teilchenbeschusses auf Cluster, die auf einem Goldsubstrat ruhen.
6 Abhebestudie: Prüft die theoretische Möglichkeit, intakte Cluster von einem Goldsubstrat abzuheben.
7 Zusammenfassung: Fasst die gewonnenen Erkenntnisse der gesamten Diplomarbeit zusammen und gibt Ausblicke auf zukünftige Studien.
A Verwendete Potentiale: Detaillierte mathematische Beschreibung der eingesetzten Tight-Binding- und EAM-Potentiale.
B Druckberechnung: Herleitung der Formeln zur Berechnung des lokalen Drucks innerhalb der MD-Simulationen.
C Parallelisierung: Erläutert das Konzept und die Effizienzsteigerung bei der Nutzung von MPI zur Beschleunigung der Simulationen.
Schlüsselwörter
Molekulardynamik, Clusterbeschuss, Goldtargets, Zerstäubung, Sputtering, Kraterbildung, Potentialmodelle, Parallelisierung, Energiedeposition, Atom-Stöße, MD-Simulation, Teilchenemission, Oberflächenphysik, Stoßkaskaden, Materialwissenschaft
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der physikalischen Effekte beim Beschuss von Goldtargets mit energetischen Teilchen mittels Molekulardynamik-Simulationen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der Kraterbildung, der Energiedeposition, der Zerstäubung von Clustern und der Analyse atomarer Stoßprozesse unter verschiedenen Randbedingungen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist ein besseres grundlegendes Verständnis der Wechselwirkungsprozesse von Clustern mit Oberflächen und die Validierung der verwendeten Simulations-Potentiale.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden klassische Molekulardynamik-Simulationen (MD) genutzt, wobei verschiedene Potentialmodelle (Colla, Nordlund) implementiert und hinsichtlich ihrer physikalischen Aussagekraft verglichen werden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in Studien zum Beschuss fester Oberflächen, freier Cluster und cluster-bedeckter Oberflächen sowie einer speziellen Untersuchung zum Abheben von Clustern.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Molekulardynamik, Clusterbeschuss, Zerstäubung, Kraterbildung, Materialwissenschaft und Parallelisierung von Simulationen.
Warum wurde ’impact’ parallelisiert?
Da die Simulationen sehr rechenintensiv waren und mehrere Wochen dauern konnten, wurde das Programm parallelisiert, um die Rechenzeit mittels Multiprozessorsystemen deutlich zu reduzieren.
Welche Ergebnisse lieferte die Abhebestudie?
Es konnte nachgewiesen werden, dass ein intaktes Abheben von Goldclustern vom Substrat bei einer bestimmten Schwellenenergie der Deposition prinzipiell möglich ist.
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- Rolf Kissel (Autor), 2000, Zerstäubung von Gold bei hoher Energiedeposition, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/120
