Fur Sabine a Laura - PDF na stiahnutie zadarmo
1 Klasická a pevne viazaná molekulárna dynamika pre nízkoenergetické procesy v materiáloch Peter Klein Dizertačná práca D 386 Dizertačná práca schválená Katedrou fyziky na Univerzite v Kaiserslauterne udelením akademického titulu „doktor prírodných vied“ Školiteľ: Prof. Dr. HM Urbassek Druhý recenzent: Prof. Dr. H. Oechsner Dátum vedeckej diskusie:
4 Poďakovanie Táto práca bola vytvorená na Katedre fyziky na Univerzite v Kaiserslauterne pod vedením profesora HM Urbasska, ktorého som ocenil za neustálu ochotu diskutovať, za jeho výdatnú pomoc pri príprave publikácií, za témy mojej dizertačnej práce a za Sloboda riešiť svoje vlastné problémy, ďakujem. Moje druhé poďakovanie patrí mojej manželke Sabine a mojej dcére Laure za podporu a vytvorenie súkromného prostredia, bez ktorého by súčasná práca určite nebola možná. Ďalšie poďakovanie patrí profesorovi Frauenheimovi z TU Chemnitz za jeho ochotu spolupracovať so skupinou Urbassek a za moje srdečné privítanie, keď navštívim Chemnitz. V neposlednom rade by som sa chcel poďakovať pani Anette Gotzovej, ktorá skontrolovala veľké časti tejto práce kvôli preklepom a ďalším chybám, a Dipl. Phys. B. Briehl, Dipl. Phys. Th. J. Colla a Dipl. Phys. H. Henselovi za plodné diskusie, neoceniteľnú pomoc pri všetkých počítačových záležitostiach a príjemnú pracovnú atmosféru.
8 A Parametrizácia tesného viazania pre monatomické systémy 97 A. Parametrizácia Goodwina, Skinnera, Pettifora pre kremík A.2 Parametrizácia tesného viazania s pre vodík A.3 Parametrizácia tesného viazania pre kremík A.4 spd-tesný- parametrizácia väzby pre kremík B pevná väzba parametrizácia pre systémy kremík-vodík 5 B. sp-tesná väzba parametrizácia pre systémy kremík-vodík B.2 spd-tesná väzba parametrizácia pre systémy kremík-vodík. 7 C Publikácie súvisiace s touto prácou 9 Bibliografia iii
11 V (ev) Ar Kr Xe r (A) Obrázok: Potenciálna energia O +; ióny oproti atómom vzácneho plynu. Film Interakčný potenciál medzi atómami vzácneho plynu je typu Lennard-Jones: V (r) = 4 "r 2 6 #; r: (.) Rovnovážna mriežková konštanta fcc Lennard-Jonesovho kryštálu je daná vzťahom d =: 9 p 2, čo zodpovedá hustota n =: 278 (0,225, 0,73) A; 3 pre Ar (Kr, Xe). Interakcia medzi atómami kyslíka a atómami filmu je opísaná nasledujúcim potenciálom: V (r) = Z OZe 2 4 r exp (; r =); 2 [+ (r = 2) m] [+ r = 3] 4; 4 r 4 + (4) (.2) 4, kde ZO = 8, Z znamenajú atómové čísla kyslíka a atómy vzácneho plynu. je atómová polarizovateľnosť atómov vzácneho plynu, ostatné konštanty sú fit parametre, ktoré prispôsobujú potenciál (.2) experimentálnym a teoreticky vypočítaným krivkám potenciálu. Rovnica (.2) extrapoluje experimentálne zistené údaje (mev) a (A) a (A 3) b 2 (ev) c (A) c 2 (A) c 3 (A) c 4 (A) cmc Ar Kr Xe Tabuľka.: Parametre použitých potenciálov a) odkaz [Kittel, 986]. B) odkaz [západ, 988] C) Prispôsobený potenciálom Odkaz [Guest a kol., 979]. 3
15 Simulácia experimentu Y (%) (a) Xe Simulácia experimentu. (b) Simulácia experimentu Kr. (c) Ar l (monovrstvy) Obrázok 2: Výnos prenosu Y iónov O + cez (a) Xe, (b) Kr, (c) Ar filmy ako funkcia hrúbky monovrstvy l. Pochopenie iónov O +; cez vzácny plyn lme de dx a prierez atómového spätného rozptylu späť. Za predpokladu bezštruktúrneho filmu, Z de dx = NS = N Td (0,6) s rozptylovým prierezom a prenosom energie T vypočítaným z potenciálu interakcie dvoch častíc, rovnice (.2) a späť = Z #> 9 d (. 7) s # uhlom rozptylu v laboratórnom systéme. Výpočet týchto veličín uskutočnil M. Vicanek, výsledky sú uvedené na obrázkoch 3 a 4. 7.
16,8 de/dx,6 (ev/a) .4 Ar Kr Xe E (ev) Obrázok 3: Strata energie O +; ióny na jednu cestu pokryté vzácnymi plynmi 7 späť (A 2) Ar Kr Xe E (ev) Obrázok 4: Prierez spätného rozptylu O +; iónov Pomocou týchto veličín možno ľahko pochopiť výsledok simulácie: O +; ióny majú najväčší ochranný prierez vďaka filmom Kr, pretože tu sú straty energie na dĺžku aj spätne rozptýlený prierez veľké . Vo filmoch Ar je spätný rozptyl a vo filmoch Xe je prenos energie malý. Geometrický model Doteraz sa diskutovalo o prenose O + hrubými vrstvami, ale tam zistené exponenciálne zoslabenie výťažku prenosu nemôže popísať prenosové správanie tenkými vrstvami, pozri obrázok 2. V tejto časti je preto predstavený model geometrického tieňovania, pomocou ktorého je možné pochopiť dáta nájdené v simulácii. V tomto modeli sú atómy vzácneho plynu prvej monovrstvy predstavované kruhmi, ktoré sú umiestnené na šesťuholníkovej mriežke. Dvojrozmerná mriežková konštanta je a = d = p 2, kde d je 8. miesto
19 Y (%) Simulácia experimentu (znížená hustota) (a) l (monovrstvy) Obrázok 6: Výnos prenosu Y so zníženou hustotou filmu Xe Y (%) Simulácia experimentu (hcp film) (b) l (monovrstvy) Obrázok 7: Výnos prenosu Y pre filmy hcp Xe. Filmy Ar by mohli rásť úmerne v kyslíkových škvrnách, a preto drasticky znížiť výťažok prenosu. Takýto režim rastu je však v rozpore s prípadmi Xe a Kr. Neexistujú žiadne experimentálne náznaky, že taký rastový režim existuje, pretože polarizovateľnosť Ar je menšia ako polarizovateľnosť Xe a Kr a kvôli antiferroelektricite substrátu by mal byť primeraný rast bežnejší vo filmoch Xe a Kr. 2. V Ar-filme mohli byť kyslíky neutralizované a experimentálny detektor ich tak už nemohol registrovať. Korelačné diagramy plynnej fázy na výmenu náboja v materiáli vzácneho plynu obsahujúceho kyslík neposkytujú o tom nijaké informácie, zdá sa však, že je málo známe o výmene nábojov iónov vzácnym plynom, takže o tejto možnosti nemožno ďalej diskutovať. 3. Proces desorpcie mohli ovplyvniť filmy Ar. Táto možnosť existuje vo všetkých vzácnych plynoch a nezdá sa, že by existovalo vysvetlenie prečo
21 (a) bez filmu. 8,6 bez filmu (a) Y (E) (/ ev) jednovrstvová. 2 (b) .5. Y (#) monovrstva (b) monovrstva. 2 (c) monovrstva (c) E (ev) cos # Obrázok 8: Distribúcia energie Y (E) a uhlová distribúcia Y (#) iónov O + prenášaných cez filmy Xe. Maximum naprašovania filmu nastáva pri dvoch jednovrstvových vrstvách. Pri vyšších stupňoch pokrytia kyslíkové stoóny a malá stocasáda vo filme z ušľachtilého plynu rozptýlili dostatok energie do okolitých atómov, takže kinetická energia jednotlivých atómov xenónu je čoraz menej dostatočná na to, aby film zostal vo vákuu. Pri menších hrúbkach filmu musí atomizácia klesať, pretože desorpčný kyslík prenáša hybnosť iba na niekoľko atómov filmu a táto prenesená hybnosť sa podieľa na čoraz menších kolíziách xenón-xenón. Aby som mohol o tomto bode kvantitatívne diskutovať, zahrnul som na obrázok 9 aj podmienený výťažok z rozprašovania. Toto sa označuje ako počet atomizovaných atómov xenónu na kyslík, ktorý je prenášaný cez film (Y t Xe) alebo spätne rozptýlený (Y z Xe). Samozrejme, Y Xe = (; Y) Y z Xe + Y Y t Xe (.) Kde Y označuje prenosový výťažok kyslíkového ozónu. Je dobre viditeľný 3
25 Y Experimentálny model Lineárny model Monte Carlo.2 (a) Pokrytie Kr (monovrstvy) Y Experimentálny model Lineárny model Monte Carlo.2 (b) Xe Pokrytie (Monovrstvy) Obrázok.: Výsledky geometrického modelu pre kolmý prenos F + cez ( a) Kr a (b) filmy Xe. Ako sa dalo očakávať, lineárny model je platný iba pre malé pokrytia a hodnoty Monte Carlo súhlasia s analytickým riešením geometrického modelu, ktorý je na obrázkoch označený modelom. Hodnoty efektívne otvorenej oblasti v tomto prípade určil M. Vicanek pomocou integrácie Monte Carlo, pričom fit parameter modelu r je x x hodnotou analytického modelu pre vertikálnu desorpciu 3.3 Prispôsobenie geometrického modelu experimentálnym výsledkom pre F + Prenosové správanie na obrázku. sú ukázané experimentálne zistené hodnoty pre prenos iónov F + desorpujúcich kolmo na povrch substrátu cez filmy Kr a Xe, spolu s prispôsobením týchto údajov geometrickému modelu. Pre porovnanie je zahrnutý lineárny model, takže je možné vidieť začiatok prekrývania atómových prierezov okolitými atómami filmu. 7. deň