Проекты

Эффекты фокусировки атомов при эмиссии с поверхности монокристаллов

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Теоретические и фундаментальные исследования» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Физика конденсированного состояния вещества
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1557
Предметы: Физика, Информатика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» 2020 года

Актуальность

Поверхностные слои вещества в значительной мере определяют поведение всего материала, его эксплуатационные характеристики. Эффекты, происходящие на поверхности материала при столкновении с ней ускоренных частиц, представляют интерес для исследователей, поскольку позволяют глубже понять процессы, протекающие на поверхности материала, а не только в объёме твёрдых тел.

Цель

Моделирование эмиссии атомов с поверхности грани (001) Ni методом молекулярной динамики.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Суперкомпьютерный комплекс МГУ им. М. В. Ломоносова

Описание

Работа основывается на гипотезе Лемана-Зигмунда, которая говорит о том, что основной вклад в формирование максимумов угловых распределений вылетающих атомов делает структура первого и второго атомных слоёв вещества. Для исследования была выбрана грань (001) монокристалла Ni. Тип кристаллической решётки никеля – гранецентрированная кубическая (ГЦК) решётка. Расчёты производились для кольца из четырёх атомов поверхности, ближайших к узлу решётки, из которого происходила эмиссия (вылет) атома.

Рис.1. Фрагмент поверхности, используемый в моделировании

Начальная энергия (E0) вылетающего атома изменялась в диапазоне от 0,5 эВ до 100 эВ, угол ϑ0 – от 0° до 90°, угол φ0 – от 0° до 360°. Для каждого набора параметров начальных условий (E0;ϑ0;φ0) выполнено численное решение системы уравнений Ньютона по методу средней силы, найдены координаты атомов в различные моменты времени. Для моделирования была использована программа, алгоритм которой был создан в лаборатории «Теоретические исследования процессов на поверхности кристаллов» физического факультета МГУ. Программа проводит моделирование эмиссии с различными параметрами вылета и собирает в отдельных файлах полученные координаты вылетевших атомов, которые в дальнейшем обрабатывались нашей программой.

На языке Fortran была написана программа для обработки полученных данных. С помощью этого кода были построены графики угловых и энергетических распределений распылённых атомов.

Результаты работы/выводы

Полученное распределение воспроизводит важнейший экспериментальный результат – пятна Венера, которые для грани (001) наблюдаются в четырёх направлениях (из-за симметрии кристаллической структуры): 0°, 90°, 180°, 270°.

Рис.2. Пятна Венера, обнаруженные при бомбардировке грани монокристалла Ag ионами Hg+

Направления 45° и 135° соответствуют направлениям на атомы линзы. В указанных направлениях также наблюдаются максимумы распределения, только почти в 2 раза ниже.

Эффект фокусировки атомов по азимутальному углу не зависит от энергии атома, а зависит только от структуры поверхности, поскольку все распределения имеют одинаковый вид: главный максимум в направлении 90° и более низкие максимумы на краях (45° и 135°).

Модель, использованная в работе, воспроизводит другую экспериментальную особенность распыления атомов монокристаллов: эффект сдвига максимума углового распределения при увеличении энергии атомов.

Перспективы использования результатов работы

Результаты работы могут быть полезны для понимания процессов

взаимодействия ионов с твёрдым телом, распыления, эрозии поверхности, которые важны для анализа и очистки поверхности, создания наноструктур или какого-либо рельефа, для исследования дефектов в полупроводниках.

Разработанная программа обработки результатов в дальнейшем будет использоваться в рамках исследований атомных столкновений лаборатории «Теоретические исследования процессов на поверхности кристаллов» МГУ им. М. В. Ломоносова.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Лаборатория «Теоретические исследования процессов на поверхности кристаллов» физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Награды/достижения

  1. XXIX Открытая московская инженерная конференция школьников «Потенциал» – участник
  2. Всероссийский конкурс научных работ школьников «Юниор» – участник
  3. XVI Балтийский научно-инженерный конкурс – участник