Формування нанорозмірних структур на поверхні матеріялів при йонному розпорошенні

Abstract

Досліджено процеси утворення поверхневих структур нанорозмірного масштабу у процесі йонного розпорошення. В рамках дослідження анізотропного моделю при врахуванні флюктуацій потоку йонів, що налітають, одержано діяграми, що ілюструють можливі типи рівновісних і хвильових поверхневих структур, які реалізуються в досліджуваній системі. Показано, що кількість таких структур на пізніх часах еволюції системи є постійною величиною. Встановлено залежності показників росту поверхні та її шерсткости. Досліджено динаміку процесів структуроутворення на поверхні за умови флюктуацій кута розпорошення. Показано, що статистичні властивості такого мультиплікативного шуму впливають на динаміку структуроутворення, характер і морфологію поверхневих структур. В рамках узагальненого моделю з урахуванням процесів релаксації опромінюваної поверхні було одержано фазову діяграму, що розділяє область основних параметрів системи на домени, які відповідають умовам реалізації стаціонарних структур на поверхні розпорошуваного матеріялу та гладкої поверхні. Досліджено динаміку структурних дефектів. Розвинутий підхід застосовано для моделювання процесу розпорошення кремнію йонами Арґону. Встановлено залежності глибини проникнення йонів і коефіцієнта виходу від кута розпорошення та енергії йонів. Показано, що на малих кутах розпорошення реалізуються рівновісні (ізотропні) структури, тоді як при великих значеннях кута розпорошення формуються хвильові структури. Встановлено залежності довжини хвилі структур кремнію від енергії йонів і показано, що лінійний розмір ізотропних структур зменшується зі збільшенням енергії налітних йонів і набуває значень порядку декількох десятків нанометрів.

Исследованы процессы образования поверхностных структур наноразмерного масштаба при ионном распылении. В рамках исследования анизотропной модели, при учёте флуктуаций потока налетающих ионов получены диаграммы, иллюстрирующие возможные типы равноосных и волновых поверхностных структур, которые реализуются в исследуемой системе. Показано, что количество таких структур на поздних временах эволюции системы является постоянной величиной. Установлены зависимости показателей роста поверхности и её шероховатости. Исследована динамика процессов структурообразования на поверхности с учётом флуктуаций угла распыления. Показано, что статистические свойства такого мультипликативного шума влияют на динамику структурообразования, характер и морфологию поверхностных структур. В рамках обобщённой модели с учётом процессов релаксации облучаемой поверхности была получена фазовая диаграмма, разделяющая область основных параметров системы на домены, которые соответствуют условиям реализации стационарных структур на поверхности распыляемого материала и гладкой поверхности. Исследована динамика структурных дефектов. Развитый подход применён для моделирования процесса распыления кремния ионами аргона. Установлены зависимости глубины проникновения ионов и коэффициента выхода от угла распыления и энергии ионов. Показано, что на малых углах распыления реализуются равноосные (изотропные) структуры, тогда как при больших значениях угла распыления формируются волновые структуры. Установлены зависимости длины волны структур кремния от энергии ионов и показано, что линейный размер изотропных структур уменьшается с увеличением энергии налетающих ионов и принимает значение порядка нескольких десятков нанометров.

Processes of nanosize surface-structures’ formation during ion-beam sputtering are studied. By considering the anisotropic model taking into account fluctuations of the incident ions’ flow, the diagrams illustrating the possible types of the equiaxed and wave surface structures, which are implemented in the system, are obtained. As shown, the number of such structures at late stages of the system evolution remains constant. Temporal dependences of the surface growth and its roughness exponents are discussed. Dynamics of pattern formation on the surface is studied taking into account fluctuations of the incident angle. As shown, the statistical properties of the multiplicative-noise impact on the dynamics of pattern formation, character and morphology of the surface structures. Within the framework of the generalized model taking into account the relaxation of the irradiated surface, a phase diagram is obtained illustrating domains of main system parameters, where stationary structures on the surface of the sputtered material and smooth surface can be realized. Dynamics of structural defects is discussed in detail. The developed approach is applied to simulate sputtering process of the silicon surface with argon ions. The dependences of the penetration depth of the ions and the sputtering yield on both the incident angle and the energy of the ions are obtained. As shown, at small values of incident angle, the equiaxed (isotropic) structures are realized, whereas at large values of the incident angle, wave structures are formed during a sputtering. The dependences of the wavelength of the silicon structures on the energy of the incoming ions are calculated. As shown, the linear size of isotropic structures decreases with growing energy of the incident ions and takes the value of the order of several tens of nanometres.