Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Поверхностные наноструктуры играют значительную роль в материалах, где определяющим фактором технологического применения является площадь поверхности рабочего тела, таких как адсорбенты и катализаторы, наполнители композиционных материалов, пленочные и мембранные системы, антибактериальные покрытия. При переходе к низкоразмерным объектам резко меняется их электронная зонная структура, что в свою очередь меняет электрофизические свойства объекта в целом. Благодаря таким особенностям, в последние годы поверхностные и слоистые наноструктуры рассматриваются как перспективные системы для широкого применения в микро- и оптоэлектронике. При этом, одной из наиболее новых и перспективных технологий наномасштабной модификации материалов и гетероструктур являет использование высокоэнергетических пучков тяжелых ионов. Особенности кинетики материала в треке такого иона позволяют получать наноразмерные поверхностные и объемные структуры, а контроль параметров облучения делает возможным варьирование требуемых свойств материалов в широких пределах. Несмотря на интенсивное исследование процессов образования треков в материалах, в особенности их необычной кинетики в приповерхностной области и на границе раздела сред, приходится констатировать, что адекватного понимания механизмов, приводящих к модификации свойств материалов в треках быстрых тяжелых ионов, по-прежнему не выработано. Как результат, большинство применяемых до настоящего время теоретических и расчетных моделей используют большое количество подгоночных параметров и дают более-менее правдоподобное качественное объяснение экспериментально наблюдаемых явлений, но обладают крайне слабой предсказательной силой. В рамках выполнения проекта получена модифицированная оригинальная Монте-Карло модель, которая позволила описывать трехмерную геометрию сложно-структурированных мишеней. Уникальной особенностью этой модели, разработанной международной научной группой при активном участии руководителя проекта, является учет коллективной реакции материалов на возбуждение в рамках формализма комплексной диэлектрической функции, а также отсутствие свободных подгоночных параметров. В новой версии модели был выполнен переход от метода асимптотических траекторий к отслеживанию траекторий заряженных частиц с помощью интегрирования уравнений движения заряженный частиц, а также была включена возможность использования трехмерной геометрии моделируемой среды и моделирования многокомпонентных сред для адекватного описания неоднородных структур произвольной формы. Данная модернизация позволила получить пространственно-временные параметры возбуждения электронного ансамбля и решетки в мишенях различной геометрической конфигурации. Используя разработанный подход, исследована временная кинетика возбуждения тонких пленок диэлектриков быстрыми тяжелыми ионами. В работе показано, что в тонких мишенях (<100 Å) большая часть электронов вылетает из мишени на баллистической стадии распространения электронного возбуждения. Поскольку большинство δ-электронов имеют начальный импульс, перпендикулярный траектории иона, концентрация электронов и дальнейшие процессы передачи энергии снижаются в тонких слоях в основном на периферии трека. В толстом образце основная доля эмиссии происходит за счет электронов, движущихся диффузно. Эти различия, возникающие из-за разницы в толщинах пленок, влияют на нагрев решетки релаксирующим электронным ансамблем, что, в свою очередь, может привести к изменениям в кинетике формирования структурных повреждений тонких пленок. Помимо тонких пленок, изучена кинетика возбуждения электронной и ионной подсистем наноразмерных частиц диэлектриков и слоистых структур. Различная концентрация свободных электронов и дырок в материалах слоев создает амбиполярную диффузию через интерфейсную область, что формирует градиент избыточной энергии. Различие в мобильности носителей заряда вблизи границы раздела создает неоднородное пространственное распределение как плотности и энергии электронов и дырок, так и энергии передаваемой в решетку. При этом размеры переходной области между материалами составляют около 60-80 Å. Стоит отметить, что, комбинируя материалы с различной мобильностью заряда в слоях, можно формировать композиты с заданными электронно-физическими свойствами. Используя данные, полученные с помощью обновленной модели Монте-Карло, в работе проведено моделирование методами молекулярной динамики структурных изменений в тонких пленках, облучаемых тяжелыми ионами высоких энергий и исследована зависимость повреждений от толщины пленки. Исследование проводилось в рамках сотрудничества с теоретическими группами из НИЦ «Курчатовский институт» (Москва) и Институтом физики Чешской академии наук (Прага, Чехия). Одним из наиболее интересных результатов выполнения проекта является демонстрация того, что структурные изменения решетки в пленках CaF2, облученных ионами Au с энергией 200 МэВ, реализуются в трех различных режимах в зависимости от толщины: 1) Образование сквозного отверстия в слое 50 Å, которое формируется из-за того, что небольшое количество материала на краях расплавленного канала недостаточно для удержания вытесняемого расплава; 2) Формирование полусферических и сферических бугорков в слоях 50-250 Å, что также подтверждается результатами экспериментов; 3) Вылет нанокластеров из образцов толщиной более 300 Å в результате образования расплавленной капли, обладающей достаточно высокой скоростью для преодоления удерживающих сил. Подобный эффект в CaF2 при облучении тяжелыми ионами высоких энергий наблюдался экспериментально в литературе. Еще одним ярким результатом проекта является исследование механизмов формирования протяженных наноструктур на поверхности Al2O3 и MgO при облучении тяжелыми ионами высоких энергий под малыми углами. Исследование проводилось в рамках совместных работ с экспериментальными группами из Института Руджера Бошковича (Загреб, Хорватия), Университета Дюйсбург-Эссен (Дюйсбург, Германия) и Университета Нельсона Манделы (Порт-Элизабет, ЮАР). Теоретические и экспериментальные исследования показали возможность формирования протяженных наноструктур на поверхности диэлектриков при потерях энергии ионов ниже порога образования треков. Изучение образцов методами атомно-силовой микроскопии и моделирование с помощью МД выявили форирование протяженных поверхностных структур в Al2O3 в виде цепочек бугорков. В отличие от Al2O3, MgO демонстрирует образование структуры в виде рва, окруженной каплями выброшенного материала. Сравнение полученных данных с результатами моделирования массивных образцов выявило, что вблизи открытой поверхности в значительной мере подавляются процессы рекристаллизации. Это в свою очередь приводит к гораздо большему повреждению приповерхностных областей по сравнению с массивными образцами. Более того, с помощью моделирования выявлены причины различия в морфологии наноструктур на поверхности Al2O3 и MgO. Это различие в может быть объяснено за счет резко различающихся свойств этих материалов в виде расплава: вязкостью и поверхностным натяжением. Полученное в результате реализации проекта новое понимание фундаментальных механизмов экстремального возбуждения приповерхностных областей позволило выявить роль различных параметров, управляющих фемто-пикосекундной кинетикой электронной и ионной подсистем материала в окрестности траектории налетающего иона и определить пространственно-временные распределения параметров этого возбуждения, формирующие движущие силы структурно-фазовых изменений в треках. Полученное знание позволит контролировать и управлять процессами формирования нанообъектов путем варьирования параметров облучения и мишени (например, толщины), что важно для приложений наноструктурирования.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Практическое применение ускоренных пучков тяжелых ионов для модификации свойств материалов на наноразмерном уровне интенсивно исследуется в течение последних десятилетий. Экстремально высокий уровень возбуждения, вносимого быстрым тяжелым ионом (БТИ) в электронную и ионную подсистемы твердого тела на крайне малых временах, формирует наноразмерную структурно-измененную область вдоль траектории иона. Одним из наиболее интенсивно исследуемых направлений в области применения ускоренных тяжелых ионов в настоящее время является модификация поверхностей твердых тел и границ раздела в многокомпонентных структурах. Возможный обмен энергией и частицами с окружающей средой в значительной мере изменяет кинетику формирования треков тяжелых ионов. С другой стороны, высокий уровень возбуждения материала на таких коротких пространственных и временных масштабах накладывает ограничения на использование макроскопических подходов при описании кинетики треков, особенно при взаимодействии ионов с наноразмерными объектами. Это, в свою очередь, требует понимания основных физических механизмов, происходящих при интенсивном возбуждении нанообъектов тяжелыми ионами, и ставит в необходимость создание принципиально новых микроскопических мультимасштабных моделей. 1) В работе, с помощью гибридной мультимасштабной микроскопической модели, были исследованы процессы формирования наноразмерных структурно-измененных областей в слоистых структурах Al2O3/SiO2 и Si/SiO2. Было показано, что значительный нагрев диэлектрических компонент композита проходящим ионом формирует расплавленную область с повышенными давлением, в то время как нагрев кристаллического кремния значительно ниже и не приводит к его плавлению. При этом, увеличенное давление в одном из слоев приводит к выдавливанию части материала через интерфейс между слоями. Таким образом, внутри второго слоя образуются бугорки высотой от 1 до 5 нм. Этот эффект гораздо сильнее проявляется в слоистой структуре Al2O3/SiO2, где часть оксида алюминия в области трека выдавливается в слой кварца. 2) В рамках проекта проведено моделирование кинетики нанокластеров нитрида кремния и оксида алюминия после пролета быстрых тяжелых ионов. Значительное выделение энергии после пролета иона приводит к плавлению области трека в Si3N4 и частичному выбросу расплава с поверхности нанокластера. В результате чего образуются кратеры на поверхности нанокластера, а область трека внутри наночастицы является аморфной и содержит небольшие поры. Обнаружено, что структурные изменения в наночастицах в значительной мере зависят от размера нанокластера и потерь энергии ионов. Выявлено, что кластеры оксида алюминия размером 10 нм повреждаются значительно сильнее наночастиц диаметром 20 нм. 2.1) В работе изучены процессы образования треков в нановключениях различной ориентации и фазы в нитриде кремния. При исследовании морфологии поврежденной области в нанокристаллитах, неожиданно было обнаружено, что диаметр трека внутри нанозерна меньше на ~15%, чем в окружающем материале. Это различие можно объяснить более медленным охлаждением нанозерна по сравнению с окружающим материалом. Полученное распределение температуры вокруг траектории иона в нановключении выявило, что температура внутри нанокластер значительно выше, чем в окружающей матрице. Следовательно, границы кристаллитов могут препятствовать отводу тепла, что приводит к более эффективной рекристаллизации поврежденной области. 2.2) Еще одним примером модификации неоднородных материалов является воздействие БТИ на нанокристаллические твердые тела. Прохождение БТИ через кристаллиты Al2O3 размером 5 нм вызывает полное плавление зерен, так как диаметр первоначально поврежденной области (~5-6 нм) сравним с размером центрального кристаллита. Во время последующего охлаждения окружающие зерна выступают в качестве шаблона для рекристаллизации. В результате центральное зерно исчезает, а трековая область повреждается значительно сильнее по сравнению с объемным оксидом алюминия за счет ее взаимодействия с границами зерен. 3) В работе исследованы особенности структурных эффектов ионизации поверхности диэлектриков при облучении тяжелыми ионами высоких энергий под скользящими углами. Рассматривались два возможных механизма образования периодических цепочек бугорков в SrTiO3, наблюдаемых экспериментально: (а) зависимость потерь энергии от прицельного параметра, реализующаяся в виде увеличения выделения энергии при прохождении иона через атомные плоскости и уменьшении их при движении между плоскостями; (б) однородное по глубине распределение избыточной энергии, вносимой ионом, при котором распад выдавливаемого с поверхности расплава происходит аналогично наблюдаемому при неустойчивости Релея-Плато. Показано, что что вариации потерь энергии ионов от прицельного параметра, практически не играет роли при углах более 2°. Более того, выявлено, что механизм (б) является наиболее вероятным при описании образования периодических поверхностных структур SrTiO3 при облучении БТИ под малыми углами. Применение метода однородного по глубине энерговыделения иона при его падении под малыми углами хорошо описывает и поверхностные наноструктуры в CaF2. Показано, что на малых глубинах проникновения иона образуется дефектная область в виде канавки с бугорками на краях, а с увеличением глубины образуется цепочка нанобугорков, что хорошо согласуется с экспериментальными данными атомно-силовой микроскопии из литературы. Критическая глубина необходимая для резкого выброса материала для образования канавки соответствует радиусу расплавленной ионом области. Анализ результатов моделирования позволил установить связь различия в морфологии нанострукту, создаваемых БТИ на поверхности различных диэлектриков, со свойствами этих материалов в состоянии расплава: вязкостью и поверхностным натяжением. 4) В работе было исследовано влияние параметров налетающих ионов (потерь энергии и скорости) на кинетику структурных изменений в нанокластерах оксида алюминия. Показано, что воздействие тяжелых ионов различных энергий на наночастицы диаметром 10 нм реализуется в трех режимах: (а) формирование кристаллических прерывистых треков при потерях энергии менее 17 кэВ/нм; (б) плавление всего нанокластера и его деформация, которая проявляется сильнее с ростом ионизационных потерь иона; (в) полное разрушение нанокластеров Al2O3 при линейных потерях энергии более 28 кэВ/нм. Результаты моделирования сравнивались с имеющимися экспериментальными данными из литературы и позволили получить новые знания о фундаментальных механизмах экстремального возбуждения приповерхностных и интерфейсных областей наноструктур и нанокомпозитов. Полученные данные предоставили возможность выявить роль различных параметров, управляющих быстрой кинетикой возбуждения материала в окрестности траектории быстрого тяжелого иона и структурно-фазовыми изменениями в треках. Полученное знание позволит контролировать и управлять процессами формирования нанообъектов путем варьирования параметров облучения и мишени (например, толщины), что важно для приложений наноструктурирования. Результаты достигнутые в рамках выполнения проекта уже применялись при планировании будущих экспериментов по наноразмерной модификации материалов пучками быстрых тяжёлых ионов, а также могут применяться при построении технологических процессов наноструктурирования материалов ионным облучением. Таким образом, заявленные в плане на второй год работы выполнены полностью и поставленные цели достигнуты. Результаты работ по проекту докладывались на 2-х международных научных конференциях в виде устного и приглашенного докладов, а также на Сессии Научного Совета РАН по проблеме «Радиационная физика твердого тела» (2021) в качестве устного доклада. По итогам работы опубликована 1 статья в издании, индексируемом в РИНЦ, а также 3 статьи в рецензируемых журналах 1-го квартиля Web of Science и Scopus.