Моделирование атомного блока (001) Ni для задач ионного распыления: релаксация и основные параметры

Цель: создать молекулярно-динамическую модель атомного блока (001) Ni, которую можно использовать при исследовании распыления.
Процедура и методы. Используется метод молекулярной динамики, метод Бокса-Мюллера для генерации случайных величин из нормального распределения, метод погруженного атома, метод сопряжённых градиентов Флетчера-Ривса, метод аппроксимации параболой и метод золотого сечения для поиска минимума функции, метод Верле для скоростей.
Результаты. Создана программа для молекулярно-динамического моделирования с предварительной релаксацией атомного блока. Для блоков разных размеров рассчитаны постоянная решётки и поверхностная энергия связи. Показана корректность модели.
Теоретическая и практическая значимость. Результаты могут быть использованы другими исследователями при разработке похожих моделей. Кроме того, созданная в работе модель будет нами использоваться на практике в будущих работах для исследования эмиссии атомов при распылении с грани (001) Ni.

1. Secondary ion mass spectrometry / N. P. Lockyer, S. Aoyagi, J. S. Fletcher, I. S. Gilmore, P. A. W. van der Heide, K. L. Moore, B. J. Tyler, L. -T. Weng // Nature Reviews Methods Primers. 2024. Vol. 4. No. 1. Article no. 32. DOI: 10.1038/s43586-024-00311-9.

2. Модификация рельефа поверхности аддитивных материалов при облучении ионами Ar+ / Д. С. Киреев, К. Ф. Миннебаев, В. А. Киселевский, А. Е. Иешкин // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2024. Т. 79. № 4. С. 2440501. DOI: 10.55959/MSU0579-9392.79.2440501.

3. Исследование влияния травления ионными пучками на шероховатость поверхности монокристаллического сапфира / М. С. Михайленко, А. Е. Пестов, М. В. Зорина, А. К. Чернышев, Н. И. Чхало, И. Э. Шевчук // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2023. № 12. С. 25–30. DOI: 10.31857/S1028096023120154.

4. Структурные особенности текстурированных пленок оксида цинка, полученных методом ионного распыления / В. Г. Костишин, А. Ю. Миронович, А. В. Тимофеев, И. М. Исаев, Р. И. Шакирзянов, А. И. Риль, А. А. Сергиенко // Физика и техника полупроводников. 2021. Т. 55. № 3. С. 230–236. DOI: 10.21883/FTP.2021.03.50600.9542.

5. The cosmic-ray induced sputtering process on icy grains / Ö. Arslan, S. Hocuk, P. Caselli, I. Küçük // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2023. Vol. 518. Iss. 2. P. 2050–2067. DOI: 10.1093/mnras/stac3196.

6. Шпиньков В. И., Самойлов В. Н. О фокусировке атомов, распыленных с грани (001) Ni, в случае гауссовых пучков эмитируемых атомов // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009. № 3. С. 73–79.

7. Самойлов В. Н., Носов Н. В. Эффекты фокусировки по азимутальному углу атомов, эмитированных с граней (001) Ni и (001) Au // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2014. № 3. С. 81–92. DOI: 10.7868/S0207352814030202.

8. Sigmund P. Theory of Sputtering. I. Sputtering Yield of Amorphous and Polycrystalline Targets // Physical Review. 1969. Vol. 184. Iss. 2. P. 383–416. DOI: 10.1103/PhysRev.184.383.

9. Sigmund P. Errata. Theory of Sputtering. I. Sputtering Yield of Amorphous and Polycrystalline Targets // Physical Review. 1969. Vol. 187. Iss. 2. P. 768. DOI: 10.1103/PhysRev.187.768.

10. Мусин А. И., Самойлов В. Н. О сдвиге максимума полярного углового распределения распыленных атомов в МД-модели распыления грани (001) Ni // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2024. № 6. С. 31–37. DOI: 10.31857/S1028096024060048.

11. Мусин А. И., Самойлов В. Н. Об особенностях формирования полярного распределения распыленных атомов в МД-модели распыления грани (001) Ni // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2025. № 3. С. 17–22. DOI: 10.31857/S1028096025030039.

12. Kornich G. V., Betz G. MD simulation of atomic displacements in pure metals and metallic bilayers during low energy ion bombardment at 0 K // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 1998. Vol. 143. Iss. 4. P. 455–472. DOI: 10.1016/S0168-583X(98)00410-8.

13. Simple N-body potentials for the noble metals and nickel / G. J. Ackland, G. Tichy, V. Vitek, M. W. Finnis // Philosophical Magazine A. 1987. Vol. 56. Iss. 6. P. 735–756. DOI: 01418618708204485.

14. Supercomputer Lomonosov-2: Large Scale, Deep Monitoring and Fine Analytics for the User Community / Vl. V. Voevodin, A. S. Antonov, D. A. Nikitenko, P. A. Shvets, S. I. Sobolev, I. Yu. Sidorov, K. S. Stefanov, V. V. Voevodin, S. A. Zhumatiy // Supercomputing Frontiers and Innovations. 2019. Vol. 6. No. 2. P. 4–11. DOI: 10.14529/jsfi190201.

15. Humphrey W., Dalke A., Schulten K. VMD: Visual molecular dynamics // Journal of Molecular Graphics. 1996. Vol. 14. Iss. 1. P. 33–38. DOI: 10.1016/0263-7855(96)00018-5.

16. Zhou X. W., Johnson R. A., Wadley H. N. G. Misfit-energy-increasing dislocations in vapor-deposited CoFe/NiFe multilayers // Physical Review B. 2004. Vol. 69. Iss. 14. Article no. 144113. DOI: 10.1103/PhysRevB.69.144113.

17. Ziegler J. F., Biersack J. P., Littmark U. Empirical stopping powers for ions in solids // Charge states and dynamic screening of swift ions in solids: Proceedings of the U. S. – Japan Seminar on Charged-Particle Penetration Phenomena (January, 25–29, East-West Center, Honolulu, Hawaii). Oak Ridge, TN (USA): Oak Ridge National Lab., 1983. P. 88–100.

18. Fletcher R., Reeves C. M. Function minimization by conjugate gradients // The Computer Journal. 1964. Vol. 7. Iss. 2. P. 149–154. DOI: 10.1093/comjnl/7.2.149.

19. Jackson D. P. Binding energies in cubic metal surfaces // Radiation Effects. 1973. Vol. 18. Iss. 3-4. P. 185–189. DOI: 10.1080/00337577308232120.

20. Harrison D. E., Gay W. L., Effron H. M. Algorithm for the calculation of the classical equations of motion of an N-body system // Journal of Mathematical Physics. 1969. Vol. 10. Iss. 7. P. 1179–1184. DOI: 10.1063/1.1664955.