En física de la materia condensada , la aproximación de colisión binaria ( BCA ) es una heurística utilizada para simular de manera más eficiente la profundidad de penetración y la producción de defectos por iones energéticos (con energías cinéticas en el rango de kiloelectronvoltios ( keV ) o superiores) en sólidos . En el método, se aproxima el ion para que viaje a través de un material experimentando una secuencia de colisiones binarias independientes con átomos de muestra ( núcleos ). Entre las colisiones, se supone que el ion viaja en una trayectoria recta, experimentando poder de frenado electrónico , pero sin perder energía en las colisiones con los núcleos. [1] [2] [3]
En el enfoque BCA, una colisión simple entre el ion entrante y un átomo objetivo (núcleo) se trata resolviendo la integral de dispersión clásica entre dos partículas en colisión para el parámetro de impacto del ion entrante. La solución de la integral proporciona el ángulo de dispersión del ion, así como su pérdida de energía hacia los átomos de la muestra y, por lo tanto, cuál es la energía después de la colisión en comparación con antes de ella. [1] La integral de dispersión se define en el sistema de coordenadas del centro de masa (dos partículas reducidas a una sola partícula con un potencial interatómico) y relaciona el ángulo de dispersión con el potencial interatómico .
También es posible resolver la integral temporal de la colisión para saber cuánto tiempo ha transcurrido durante la misma. Esto es necesario al menos cuando se utiliza BCA en el modo de "cascada completa", véase más abajo.
La pérdida de energía de los electrones, es decir, el poder de frenado electrónico , se puede tratar con modelos de frenado electrónico dependientes de los parámetros de impacto, [4] restando un poder de frenado dependiente de la velocidad de los iones solo entre las colisiones, [5] o una combinación de los dos enfoques.
El método de selección del parámetro de impacto dividió los códigos BCA en dos variedades principales: códigos BCA "Monte Carlo" y códigos BCA cristal.
En el método denominado Monte Carlo BCA, la distancia hasta el siguiente átomo que colisione y el parámetro de impacto del mismo se eligen aleatoriamente a partir de una distribución de probabilidad que depende únicamente de la densidad atómica del material. Este método simula esencialmente el paso de iones en un material completamente amorfo. (Tenga en cuenta que algunas fuentes denominan a esta variedad de BCA simplemente Monte Carlo, lo cual es engañoso, ya que el nombre puede confundirse con otras variedades de simulación de Monte Carlo completamente diferentes ). SRIM y SDTrimSP son códigos de Monte Carlo BCA.
También es posible (aunque más difícil) implementar métodos BCA para materiales cristalinos, de modo que el ion en movimiento tenga una posición definida en un cristal, y la distancia y el parámetro de impacto hasta el siguiente átomo que colisione se determinen para que correspondan a un átomo en el cristal. En este enfoque, BCA se puede utilizar también para simular el movimiento de átomos durante la canalización . Los códigos como MARLOWE funcionan con este enfoque.
La aproximación de colisión binaria también se puede extender para simular cambios dinámicos en la composición de un material debido a la irradiación iónica prolongada, es decir, debido a la implantación de iones y la pulverización catódica . [6]
A bajas energías de iones, la aproximación de colisiones independientes entre átomos comienza a fallar. Este problema se puede aumentar hasta cierto punto resolviendo la integral de colisión para múltiples colisiones simultáneas. [3] [7] Sin embargo, a energías muy bajas (por debajo de ~1 keV, para una estimación más precisa, consulte [8] ), la aproximación BCA siempre falla, y se deben utilizar enfoques de simulación de irradiación de iones de dinámica molecular porque estos pueden, por diseño, manejar colisiones de muchos cuerpos de una cantidad arbitraria de átomos. Las simulaciones MD pueden seguir solo el ion entrante ( aproximación de interacción de retroceso o RIA [9] ) o simular todos los átomos involucrados en una cascada de colisiones . [10]
Las simulaciones BCA se pueden subdividir por tipo dependiendo de si solo siguen el ion entrante o también siguen los retrocesos producidos por el ion ( modo de cascada completa , por ejemplo, en el popular código BCA SRIM ). Si el código no tiene en cuenta las colisiones secundarias (retrocesos), el número de defectos se calcula utilizando la extensión Robinson del modelo Kinchin-Pease.
Si la masa inicial de retroceso/ion es baja y el material en el que se produce la cascada tiene una densidad baja (es decir, la combinación de retroceso y material tiene un poder de frenado bajo ), las colisiones entre el retroceso inicial y los átomos de la muestra ocurren raramente y pueden entenderse bien como una secuencia de colisiones binarias independientes entre átomos. Este tipo de cascada se puede tratar teóricamente bien utilizando BCA.
Las simulaciones BCA proporcionan de forma natural la profundidad de penetración de iones, la propagación lateral y las distribuciones de energía de deposición nuclear y electrónica en el espacio. También pueden utilizarse para estimar el daño producido en los materiales, partiendo del supuesto de que cualquier retroceso que reciba una energía superior a la energía de desplazamiento umbral del material producirá un defecto estable.
Sin embargo, este enfoque debe utilizarse con gran precaución por varias razones. Por ejemplo, no tiene en cuenta ninguna recombinación de daño activada térmicamente, ni el hecho bien conocido de que en los metales la producción de daño es para altas energías solo algo así como el 20% de la predicción de Kinchin-Pease. [11] Además, este enfoque solo predice la producción de daño como si todos los defectos fueran pares de Frenkel aislados , mientras que en realidad, en muchos casos, las cascadas de colisiones producen grupos de defectos o incluso dislocaciones como estado de daño inicial. [12] [13] Sin embargo, los códigos BCA se pueden ampliar con modelos de agrupamiento y recombinación de daños que mejoran su confiabilidad a este respecto. [14] [15] Finalmente, la energía de desplazamiento umbral promedio no se conoce con mucha precisión en la mayoría de los materiales.
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