Atomistic Simulations of Ion Irradiation of Nanostructures for Industrial Applications

Ionisäteilytys on ollut teollisuuden puolesta merkittävän kiinnostuksen kohteena 1950-luvulta lähtien. Ionisäteet ovat nousseet käyttöön monilla aloilla johtuen niiden kyvyn muokata materiaalien ominaisuuksia hallitusti. Tärkeimpänä on ollut niiden sovellus puolijohdelaitteissa kuten diodeissa ja transistoreissa, missä tarpeellinen seostaminen eli douppaus yleisesti saavutetaan säteilyttämällä sopivilla ioneilla, mikä mahdollistaa jokapäiväisessä käytössä näkyvän teknologian kehityksen. Puolijohdelaitteiden jatkuvan pienentymisen myötä vaadittu tarkkuus valmistusprosessissa vastaavasti kasvaa. Näin ollen tarvitaan vahvoja mallinnustyökaluja ionisäteiden ymmärryksen ja soveltamisen edistämiseksi. Binääritörmäysapproksimaatio (BCA, binary collision approximation) otettiin käyttöön simulaatiotyökaluna 1950-luvulla. Se sallii monien säteilyyn liittyvien ilmiöiden ennustamisen yksittäisille törmäyskaskadeille, ja on käytössä monissa kokeellisissa laboratorioissa ja monilla teollisuuden aloilla tehokkuutensa vuoksi. BCA kuitenkaan ei pysty kuvailemaan kemiallisia tai termodynaamisia vaikutuksia, mikä rajoittaa sen käyttökelpoisuutta tilanteissa, joista ballistiset vaikutukset ovat riittämätön kuvaus. Yhtä aikaa BCA:n kanssa kehitettiin simulaatiotyökalu molekyylidynamiikka (MD, molecular dynamics). MD sallii tarkemman kuvauksen atomien välisistä voimista eli myös kemiallisista vaikutuksista. Se on kuitenkin kertaluokkia hitaampi kuin BCA-menetelmä. Tässä tutkielmassa kehitetään uusi muunnelma MD-algoritmista sekä MD:n että BCA:n hyötyjen ja vahvuuksien yhdistämiseksi. Törmäyskaskadiin liittyvien simuloitujen atomien aktivointi ja deaktivointi käytetään tapana säästää laskennallista työtä, keskittäen suoritettu laskenta kiinostuksen kohteena olevaan alueeseen kaskadin ympärillä ja jättäen ympäröivät, tasapainossa olevat alueet huomiotta. Yhdistämällä tämä algoritmi olemassaolevaan nopeutusjärjestelmään saavutetaan yhden kertaluokan nopeutus kovalenteilla materiaaleilla kuten Si ja Ge, joilla algoritmia testattiin. Kehitettyä algoritmin avulla tutkitaan Ge-nanolankojen taipumista Xe-ionisäteilytyksessä. Kokeellisesti on osoitettu, että nanolangat taipuvat joko ionisädettä kohti tai siitä poispäin, ja tietokonesimulaatiot voivat auttaa taustalla olevan fysikaalisen prosessin ymmärtämisessä. Tässä tutkielmassa simuloidaan korkean integroidun vuontiheyden säteilytystä Ge-nanolankaan, ja analysoidaan siitä seuraavaa defektirakennetta taipumisen tutkimiseksi, mikä toimii myös testinä kehitetylle algoritmille.

Grantor dc:publisher

Helsingin yliopisto

Year dc:date.issued

2019

Author dc:creator

• Toijala, Risto

Contributors dc:contributor

• Helsingin yliopisto, Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
• University of Helsinki, Faculty of Science
• Helsingfors universitet, Matematisk-naturvetenskapliga fakulteten

Language dc:language.iso

eng

Identifier URI

URN:NBN:fi:hulib-201908233284

OAI identifier oai:identifier

oai:helda.helsinki.fi:10138/304888