Mô phỏng các quá trình tương tác của chùm ion tới bia và tính hiệu suất phún xạ bằng phương pháp động học monte carlo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  VÕ THỊ NGỌC THỦY Chuyên ngành: Vật lý Vô Tuyến và Điện tử Mã số: 60 44 03 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ VŨ TUẤN HÙNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH –NĂM 2011 MÔ PHỎNG CÁC QUÁ TRÌNH TƯƠNG TÁC CỦA CHÙM ION TỚI BIA VÀ TÍNH HIỆU SUẤT PHÚN XẠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG HỌC MONTE CARLO LỜI CẢM ƠN  Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và làm luận văn thạc sĩ tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp. Hồ Chí Minh ngoài sự nổ lực và cố gắng của bản thân, em đã nhận được nhiều sự quan tâm, chỉ dẫn tận tình của Quý Thầy Cô ở khoa Vật Lý- Vật Lý Kỹ Thuật, Quý Thầy Cô ở Bộ môn Vật lý Ứng dụng. Em xin được gửi đến tất cả Quý Thầy Cô l ời tri ân chân thành nhất. Đặc biệt, em xin trân trọng gửi lời cám ơn đến Thầy, TS. Lê Vũ Tuấn Hùng, người đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn. Thầy là tấm gương về tinh thần kiên trì, tận tụy, nhiệt huyết trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học để em noi theo. Em xin chúc Thầy nhiều sức khỏe để ti ếp tục giảng dạy chúng em những bài học hữu ích trong cuộc sống và trong khoa học. Em xin gửi lời cám ơn đến anh Lê Sơn Hải, người đã hỗ trợ tận tình, và cho em những ý kiến đóng góp trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin cảm ơn những người bạn thân, và tập thể các bạn học viên Cao học lớp “Vật lý Vô tuyến và điện tử” và “Quang học” khóa 18 đã chia sẻ, giúp đỡ tôi trong suốt khóa học. Hơn hết là lòng biết ơn của con đối với Ba Mẹ. Con xin cảm ơn Ba Mẹ cùng các anh chị đã khích lệ, động viên, luôn ở bên cạnh và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để con yên tâm học tập – nghiên cứu khoa học trong suốt thời gian qua . Trân trọng cảm ơn. Luận văn Thạc Sĩ Vật Lý HVTH: Võ Thị Ngọc Thủy 1 MỞ ĐẦU Ngày nay màng mỏng đã trở thành một trong những ngành công nghệ vật liệu cao được các nước tiên tiến trên thế giới rất quan tâm. Việc nghiên cứu màng mỏng đang phát triển nhanh và đạt được nhiều thành tựu rất quan trọng trong ứng dụng cho các ngành bán dẫn, quang, quang xúc tác, … Màng mỏng được chế tạo bằng nhiều phương pháp vật lý cũng như hóa học khác nhau như: phương pháp điện phân, phương pháp sol-gel, phương pháp bốc bay, phương pháp xung laser PLD, ph ương pháp phún xạ, … Trong đó, phương pháp phún xạ là thông dụng nhất, vì nó có ưu điểm là màng có cấu trúc chặt, bền về tính cơ học, dễ kiểm soát về bề dày màng thông qua các thông số chế tạo (dòng phún xạ, thế phún xạ, áp suất phún xạ, khoảng cách bia đế, nhiệt độ đế, ) và màng có độ đồng đều tương đối tốt, từ đó làm gia tăng mức độ ion hóa các hạt khí trung hòa. Hiện tượng phún x ạ cũng được nghiên cứu suốt ba thập niên qua, để hiểu rõ hơn về lý thuyết phún xạ các nhà khoa học thường dùng phương pháp mô phỏng. Các nhà khoa học đã nghiên cứu và giải thích các quá trình bằng các mô hình mô phỏng hai hoặc ba chiều bằng thuật toán Monter Carlo thông qua việc xét tương tác giữa ion với vật liệu, ví dụ như công trình nghiên cứu tác giả Biersack [8], tác giả Vizkelethy [64], Yamamura [66],…Những công trình nghiên cứu này dựa vào thế tương tác giữa các nguyên tử từ đó tính xác suấ t va chạm, năng lượng mà ion truyền cho nguyên tử bia (target) và làm cho nguyên tử bị đánh bật ra và phún xạ. Sự khác nhau của các công trình này là việc dùng các mô hình thế tương tác giữa các nguyên tử khác nhau, dẫn đến hiệu suất phún xạ khác nhau. Hơn nữa, các tác giả chỉ mới khảo sát riêng lẻ các mô hình thế tương tác giữa các hạt, dẫn đến các kết quả thu được không phản ánh toàn diện các quá trình tương tác và chưa phù hợp tốt với thực nghiệm. Do vậy, trong luận văn này chúng tôi tiến hành khảo sát các quá trình tương tác của chùm ion với vật liệu bằng nhiều mô hình thế tương tác khác nhau. Từ đó chúng tôi chọn ra một mô hình thế cho kết quả phù hợp tốt nhất với thực nghiệm Luận văn Thạc Sĩ Vật Lý HVTH: Võ Thị Ngọc Thủy 2 cũng như đúng với khoảng rộng năng lượng của chùm ion, đặc biệt là chùm ion có năng lượng thấp. Các kết quả góp phần tăng thêm cơ sở dữ liệu để so sánh với thực tế và làm cho thực nghiệm hoàn chỉnh và chính xác hơn. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng tính hiệu suất phún xạ của vật liệu khi bị chùm ion bắn phá. Các kết quả thu được với kết quả của các công trình khác nh ư kết quả của chương trình phần mềm SRIM, … Tóm lại, trong luận văn chúng tôi tiến hành mô phỏng các quá trình sau: + Mô phỏng quá trình tương tác giữa ion với vật liệu bia. Quá trình tương tác này bao gồm hai quá trình. Thứ nhất là quá trình tương tác giữa ion và hạt nhân nguyên tử bia. Tương tác này được xem xét như quá trình va chạm đàn hồi giữa hai hạt và bỏ qua ảnh hưởng của các hạt lân cận. Quá trình tương tác này đóng vai trò chủ yếu khi năng lượng của ion là không quá l ớn. Quá trình va chạm thứ hai là va chạm giữa ion và điện tử của nguyên tử bia. Đây được xem là va chạm không đàn hồi và nó ảnh hưởng đáng kể đến quá trình tương tác của chùm ion với vật liệu bia khi năng lượng của ion lớn (thường là lớn hơn 10MeV). + Mô phỏng chuyển động của ion trong bia. Trong phần này chúng tôi tính toán năng lượng mất mát của ion do va chạm và năng lượng ion mất mát trên đường đi. Bên cạnh đó chúng tôi cũng tính sự thay đổi hướng của ion sau va chạm, vẽ ra được hình dạng đường đi của ion trong bia, và sự phân bố của ion trong bia. + Mô phỏng sự chuyển động của nguyên tử bia khi bị đánh bật khỏi bia, tính toán hiệu suất phún xạ, vẽ được sự phân bố mật độ của các nguyên tử phún xạ theo năng lượng. Để đánh giá mô hình, chúng tôi dùng số liệu của Zn làm bia, và chùm ion Ar làm chùm ion bắn phá tới vật li ệu. Các kết quả thu được sẽ đượ chúng tôi so sánh và đánh giá với các kết quả của các tác giả khác trên thế giới. Luận văn Thạc Sĩ Vật Lý HVTH: Võ Thị Ngọc Thủy i MỤC LỤC MỤC LỤC………………………………………………………………………… i DANH MỤC CÁC BẢNG…………………………………………………………v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ…………………………………………………….vi MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………… 1 Phần I 3 TỔNG QUAN 3 Chương 1: LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG TRONG VẬT LÝ VÀ CÁC QUÁ TRÌNH TƯƠNG TÁC GIỮA CHÙM ION VỚI VẬT LIỆU RẮN 4 1.1. Mô phỏng trong vật lý: 4 1.1.1 Cơ sở mô phỏng: 5 1.1.2 Phương pháp và kỹ thuật mô phỏng 5 1.1.3 Phương pháp Monte Carlo [1]: 5 1.1.4 Phương pháp động học phân tử [1]: 6 1.1.5 Kỹ thuật mô phỏng: 7 1. 2. Lý thuyết về các quá trình tương tác của chùm ion với vật liệu rắn: 8 1.2.1 Thế tương tác giữa các nguyên tử: 9 1.2.2. Sự mất mát năng lượng của ion do va chạm với hạt nhân nguyên tử bia:13 1.2.2.1. Góc tán xạ của hạt ion tới:…………………………………………13 1.2.2.2. Sự mất mát năng lượng của ion do va chạm với hạt nhân nguyên tử bia: 17 1.2.2.3. Quãng đường dịch chuyển tự do và tham số va ch ạm: 17 Luận văn Thạc Sĩ Vật Lý HVTH: Võ Thị Ngọc Thủy ii 1.2.2.4. Tiết diện hãm khi ion va chạm với hạt nhân nguyên tử bia [69]: 19 1.2.2.5. Khoảng dao động của năng lượng mất mát của ion khi va chạm với hạt nhân nguyên tử bia (Straggling of nuclear energy loss) 20 1.2.3 Sự mất mát năng lượng của ion khi va chạm với điện tử của các hạt nguyên tử bia: 21 1.2.3.1. Tiết diện hãm của ion khi va chạm với proton: 22 1.2.3.2. Tiết diện hãm của ion nặng: 26 1.2.3.3 Khoảng dao động của nă ng lượng mất mát của ion khi va chạm với điện tử của nguyên tử bia (Straggling of electronic energy loss): 28 1.2.4. Phân bố của ion trong vật liêu: 29 1.2.4.1 Khoảng phân bố của ion (Range Distribution): 30 1. 2.4.2. Quãng đường dịch chuyển của ion (Range): 31 1.2.4.3 Độ xuyên sâu của ion (R p ): 33 1.2.4.4.Độ lệch chuẩn của khoảng phân bố (range straggling): 34 Chương 2: LÝ THUYẾT VỀ HIỆN TƯỢNG PHÚN XẠ BẰNG CHÙM ION 36 2.1. Phương pháp phún xạ bằng chùm ion: 36 2.2. Lý thuyết hiện tượng phún xạ: 38 2.2.1. Hiệu suất phún xạ: 38 2.2.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phún xạ: 42 2.2.3 Nguyên lý mô phỏng quá trình phún xạ: 43 2.2.4 Phân bố năng lượng của hạt phún xạ [30]: 44 2.2.5 Phân bố theo góc tới của hạt phún xạ [38]: 44 Luận văn Thạc Sĩ Vật Lý HVTH: Võ Thị Ngọc Thủy iii Phần II 46 THỰC NGHIỆM –KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 46 Chương 3: MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC CỦA CHÙM ION VỚI VẬT LIỆU VÀ PHÂN BỐ CỦA ION TRONG VẬT LIỆU BIA 47 3.1. Mục đích: 47 3.2. Xây dựng chương trình: 47 3.3. Kết quả và bàn luận: 54 3.3.1. Ảnh hưởng của thế tương tác đến quá trình tương tác chùm ion với vật liệu rắn: 54 3.3.2. Tiết di ện hãm của ion khi va chạm với hạt nhân và điện tử của nguyên tử bia: 55 3.3.3. Mô hình chuyển động của ion trong bia 58 3.3.4. Độ xuyên sâu và quãng đường dịch chuyển của ion trong bia: 61 3.3.5. Phân bố của ion trong bia: 63 Chương 4: MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA NGUYÊN TỬ BIA VÀ TÍNH HIỆU SUẤT PHÚN XẠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG HỌC MONTE CARLO 68 4.1. Mục đích: 69 4.2. Xây dựng chương trình: 69 4.3. Kết quả và bàn luận: 75 4.3.1 Hiệu suất phún xạ theo năng lượng tới của chùm ion: 75 4.3.1.1.Hiệu suất phún xạ tính theo công thức Sigmund: 75 Luận văn Thạc Sĩ Vật Lý HVTH: Võ Thị Ngọc Thủy iv 4.3.1. 2 Hiệu suất phún xạ từ chương trình mô phỏng: 77 4.3.2 Hiệu suất phún xạ theo góc tới của chùm ion 80 4.3.3. Phân bố hạt phún xạ theo năng lượng tới của chùm ion: 81 KẾT LUẬN 86 DANH MỤC CÔNG TRÌNH 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 PHỤ LỤC 96 Luận văn Thạc Sĩ Vật Lý HVTH: Võ Thị Ngọc Thủy v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Giá trị của các hằng số C 1 - C 5 của các thế tương tác [69]. 16. Bảng 2.1: So sánh tính chất của màng mỏng được chế tạo bằng các phương pháp phún xạ khác nhau [45] 37. Luận văn Thạc Sĩ Vật Lý HVTH: Võ Thị Ngọc Thủy vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ chung của một quá trình mô phỏng. 6 Hình 1.2: Mô hình tương tác giữa ion với electron của nguyên tử bia. 10 Hình 1.3: Mô hình tương tác giữa hai electron. 10 Hình 1.4: Va chạm của các hạt trong hệ khối tâm (Center of Mass). Error! Bookmark not defined. Hình 1.5: Đường đi của các hạt trong hệ khối tâm với “tam giác tán xạ” [69] 15 Hình 1.6: Khoảng dao động của năng lượng mất mát của ion khi va chạm với hạt nhân nguyên tử bia 21 Hình 1.7: Độ xuyên sâu và quãng đường dịch chuyển của ion trong bia. 29 Hình 1.8: Sơ đồ định nghĩa độ xuyên sâu, độ trải rộng, khoảng xuyên sâu của ion trong bia 30 Hình 2.1: Sơ đồ tương tác ion-vật liệu và quá trình phún xạ 38 Hình 2.2: Sơ đồ mô phỏng quá trình phún xạ vật liệu ở bia. 43 Hình 2.3: Phân bố góc của hạt phún xạ 45 Hình 3.1: Sơ đồ mô phỏng các quá trình tương tác của ion vớ i vật liệu 49 Hình 3.2: Giao diện chương trình mô phỏng quá trình tương tác của chùm ion với vật liệu bia…………………………………………………………………………53 Hình 3.3: Các mô hình thế tương tác giữa các nguyên tử 55 Hình 3.4a: Tiết diện hãm của ion Ar khi va chạm với hạt nhân nguyên tử bia Zn 56 Hình 3.4b:Tiết diện hãm của ion Ar khi va chạm hạt nhân nguyên tử bia Zn [69]. 56 Hình 3.4c: Tiết diện hãm của proton khi va chạm với điện tử nguyên tử bia Al 56 [...]... tra bằng cách so sánh với những phương pháp khác 1.1.2 Phương pháp và kỹ thuật mô phỏng Quá trình mô phỏng là xử lý mô hình bằng số học trên máy tính trên cơ sở tập hợp các dữ liệu đầu vào và tập hợp các dữ liệu đầu ra Trong phương pháp mô phỏng, các biến số đầu vào của các phần tử hệ thống được tác động có tính đến các yếu tố ràng buộc bằng các phương pháp, kỹ thuật trong một chương trình máy tính. .. chương trình mô phỏng 65 Hình 3.8: Phân bố của ion Ar bên trong vật liệu bia Zn từ SRIM .66 Hình 4.1: Sơ đồ phún xạ bằng kỹ thuật chùm ion 68 Hình 4.2: Chuỗi va chạm giữa các nguyên tử .70 Hình 4.3 Sơ đồ mô phỏng quá trình phún xạ của vật liệu do bắn phá chùm ion .73 Hình 4.4: Giao diện chương trình mô phỏng chuyển động của nguyên tử bia và tính hiệu suất phún xạ của vật liệu bia ……………………………………………….74... 4.5: Hiệu suất phún xạ theo công thức Sigmund .77 Hình 4.6: Hiệu suất phún xạ của vật liệu theo năng lượng của chùm ion 79 Hình 4.7: Hiệu suất phún xạ của vật liệu theo góc tới của chùm ion 81 Hình 4.8: Phân bố hạt phún xạ khi chùm ion tới vuông góc mặt bia .83 HVTH: Võ Thị Ngọc Thủy Luận văn Thạc Sĩ Vật Lý viii Hình 4.9a: Phân bố hạt phún xạ theo năng lượng chùm ion tới vuông góc với bia. 83... được các tham số vĩ mô của mô hình bằng cách tổng hợp hành vi ngẫu nhiên của các cá thể Trong luận văn, chúng tôi triển khai phương pháp này để xét tương tác của ion với vật liệu cũng như trong hiện tượng phún xạ bằng phương pháp chùm ion 1.1.4 Phương pháp động học phân tử [1]: Đây là phương pháp gần đúng với phương pháp thí nghiệm và thường được dùng cho hệ nhiều hạt tuân theo các định luật cơ học. .. giữa ion – điện tử của nguyên tử bia Do các quá trình tương tác của ion với vật liệu rắn rất phức tạp, và việc thiếu cơ sở dữ liệu thực nghiệm về mối liên hệ giữa quá trình va chạm của ion với hạt nhân nguyên tử và quá trình va chạm của ion với điện tử của nguyên tử bia nên hai quá trình tương tác này được xem xét độc lập với nhau Quá trình va chạm của ion với hạt nhân nguyên tử là quá trình quan trọng,... thuyết phún xạ khi bắn phá chùm ion tới bề mặt vật rắn Một số khái niệm sẽ được tìm hiểu như cơ chế truyền năng lượng của ion cho nguyên tử bia khi xảy ra quá trình va chạm và hiện tượng xuyên sâu của ion trong vật liệu Khi bắn chùm ion vào bia - vật liệu rắn, các ion sẽ trải qua chuỗi các va chạm với các nguyên tử của bia cho đến khi chúng dừng lại Ở đây ta giả sử tương tác giữa các hạt là tương tác. .. hoặc các phương pháp khác như lĩnh vực các chất lỏng đậm đặc, chất rắn vô định hình,… Trong Vật lý nói riêng, một trong các đối tượng mô phỏng là hệ nhiều hạt, trước đây có thể mô tả hoạt động của các hạt bằng hệ phương trình Newton nhưng rõ ràng là không thể giải một số lượng lớn phương trình này Nhờ phương pháp mô phỏng, người ta đã có thể tiếp cận được hệ bằng các mô hình, mô phỏng và kiểm chứng bằng. .. ion và nguyên tử bia; E là năng lượng tới của ion 1.2.2.3 Quãng đường dịch chuyển tự do và tham số va chạm: Việc tính quãng đường dịch chuyển tự do đóng vai trò quan trọng trong quá trình xét sự tương tác của chùm ion với vật liệu cũng như trong kỹ thuật phún xạ bằng chùm ion Các tác giả như Biersack [9], Karolewski [36], … đã tính hiệu suất phún xạ dựa trên việc chọn quãng đường dịch chuyển giữa các. .. để tính năng lượng mà hạt mang điện (ion) truyền cho điện tử của vật liệu rắn (nguyên tử bia) Quá trình này bao gồm hai quá trình tương tác: tương tác của ion với điện tử của nguyên tử bia (local electronics) và tương tác của ion với điện tử plasma (non-local electronics) Trong phần khảo sát năng lượng mất mát của ion nặng, khái niệm điện tích hiệu dụng được đưa ra khi tính toán tiết diện hãm của ion. .. định Nhiệt độ tức thời được tính T ( t ) = ∑ i =1 mi vi2 ( t ) kB N f Nf =3N-3 là số bậc tự do T(t) được tính nhiều lần và lấy giá trị trung bình Ngoài ra còn có một số phương pháp khác như: phương pháp lai Monte Carlo, phương pháp hồi phục tĩnh, phương pháp Monte Carlo đảo, … MÔ PHỎNG QUI TRÌNH MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH KIỂM TRA Hình 1.1: Sơ đồ chung của một quá trình mô phỏng HVTH: Võ Thị Ngọc Thủy . KHOA HỌC: TS. LÊ VŨ TUẤN HÙNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH –NĂM 2011 MÔ PHỎNG CÁC QUÁ TRÌNH TƯƠNG TÁC CỦA CHÙM ION TỚI BIA VÀ TÍNH HIỆU SUẤT PHÚN XẠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘNG HỌC MONTE CARLO . tiến hành mô phỏng các quá trình sau: + Mô phỏng quá trình tương tác giữa ion với vật liệu bia. Quá trình tương tác này bao gồm hai quá trình. Thứ nhất là quá trình tương tác giữa ion và hạt nhân. 4.3. Sơ đồ mô phỏng quá trình phún xạ của vật liệu do bắn phá chùm ion. 73 Hình 4.4: Giao diện chương trình mô phỏng chuyển động của nguyên tử bia và tính hiệu suất phún xạ của vật liệu bia ……………………………………………….74