[论文解读] A quasi-conserved particle Monte Carlo model of surface evolution with semi-empirical sputter yield modulated erosion: 1 keV Ar$^+$ sputtering of Si

Emmanuel O Oyewande|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2015

Ion-surface interactions and analysis被引用 3

一句话总结

本文提出了一种半经验的准守恒粒子蒙特卡罗模型，用于模拟1 keV Ar+离子对硅的溅射过程，利用实验测得的溅射产额以简化复杂的表面动力学。该模型表明，在粒子再沉积条件下表面高度保持恒定，而无再沉积时表面高度随时间线性下降；粗糙度受再沉积影响极小，凸显了溅射产额在形貌演化中的作用。

ABSTRACT

We introduce a new Monte Carlo model based on a semi-empirical sputter yield parameter in ion-solid energetic collisions. This model circumvents the complexity of the existing statistical, classical and continuum models, most of which are difficult to relate to real experimental parameters, by its semi-empirical nature of direct reliance on the experimental values of the sputter yield. Constrained by this crucial experimental factor, the model then addresses the multidimensional nature of other accompanying physical processes stochastically; thus reducing the complexity of their computation. This model exhibits the experimentally observed features of solid surfaces that evolve under continuous particle irradiation and allows for a way to study the effect of the different mechanisms of the surface morphology and the nature of their interplay in the dynamics of the surface evolution. Our study of the average surface height reveals that it is constant when eroded particles are redeposited but varies linearly with simulation time, when eroded particles are not redeposited. Our studies also show that the roughening process is not significantly affected by re-deposition of eroded material.

研究动机与目标

• 开发一种简化但真实的离子束表面溅射蒙特卡罗模型，直接整合实验溅射产额数据。
• 通过随机模拟多维表面过程并以经验溅射产额进行约束，降低计算复杂度。
• 研究在1 keV Ar+离子辐照Si条件下，侵蚀、再沉积与表面形貌演化之间的相互作用。
• 在受控且基于实验的模拟框架中，探讨再沉积对表面粗糙化及平均高度动力学的影响。
• 为混合MC-MD模拟及离子轰击表面形貌演化的普适类分析奠定基础。

提出的方法

• 该模型采用从实验数据导出的半经验溅射产额值，对应1 keV Ar+离子在45°入射角下对Si的溅射，避免了复杂的理论计算。
• 通过随机粒子蒙特卡罗算法模拟表面演化，每次离子撞击均根据输入的产额引发溅射。
• 被侵蚀的原子可被局部再沉积（准守恒模型）或从系统中移除（非守恒模型），再沉积过程以随机方式建模。
• 模型跟踪随时间变化的表面高度与粗糙度，表面形貌根据局部形貌和溅射概率进行更新。
• 通过将被侵蚀原子重新定位到邻近表面位置，强制实现粒子守恒，从而保持总粒子数不变。
• 通过将平均表面高度与粗糙度演化与实验趋势进行对比，对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1 keV Ar+离子溅射Si过程中，粒子再沉积如何影响平均表面高度？
• RQ2 在离子辐照下，再沉积在多大程度上影响表面粗糙化动力学？
• RQ3 半经验溅射产额参数是否能有效捕捉真实实验中的表面演化特征，而无需依赖完整的MD或连续体模型？
• RQ4 若无再沉积，表面高度与形貌的时间演化将如何改变？
• RQ5 溅射产额在决定离子轰击下表面形貌演化普适类中起何种作用？

主要发现

• 当被侵蚀粒子发生再沉积时，平均表面高度在模拟时间内保持近似恒定，表明粒子守恒有效。
• 在无再沉积情况下，平均表面高度随模拟时间线性下降，证实系统中存在质量损失。
• 表面粗糙度在存在或不存在再沉积的情况下均未受到显著影响，表明再沉积不会显著稳定或 destabilize 表面特征。
• 该模型成功再现了实验中观察到的表面演化特征，包括守恒条件下的恒定高度与非守恒条件下的线性衰减。
• 该模型依赖于半经验溅射产额，可在降低计算复杂度的同时，与真实实验直接比较。
• 该框架可扩展用于包含杂质溅射，并可适配于混合MC-MD模拟或普适类研究。