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Cascada de colisiones

Simulación por computadora de dinámica molecular clásica de una cascada de colisiones en Au inducida por un autorretroceso de Au de 10 keV . Este es un caso típico de una cascada de colisiones en el régimen de picos de calor. Cada esfera pequeña ilustra la posición de un átomo, en una sección transversal de una celda de simulación tridimensional con un espesor de capa de 2 átomos. Los colores muestran (en una escala logarítmica) la energía cinética de los átomos, donde el blanco y el rojo representan la energía cinética alta desde 10 keV hacia abajo, y el azul la energía baja.

En física de la materia condensada , una cascada de colisiones (también conocida como cascada de desplazamiento o pico de desplazamiento ) es un conjunto de colisiones energéticas adyacentes cercanas (mucho más altas que las energías térmicas ordinarias ) de átomos inducidas por una partícula energética en un sólido o líquido . [1] [2]

Si las energías máximas de átomos o iones en una cascada de colisiones son mayores que la energía de desplazamiento umbral del material (decenas de eV o más), las colisiones pueden desplazar permanentemente átomos de sus sitios reticulares y producir defectos . El átomo energético inicial puede ser, por ejemplo, un ion de un acelerador de partículas , un retroceso atómico producido por un neutrón , electrón o fotón de alta energía que pasa , o puede producirse cuando un núcleo radiactivo se desintegra y le da al átomo una energía de retroceso.

La naturaleza de las cascadas de colisión puede variar considerablemente dependiendo de la energía y la masa del ion de retroceso/entrante y de la densidad del material ( poder de detención ).

Cascadas lineales

Ilustración esquemática de colisiones binarias independientes entre átomos.

Cuando 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-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 bien teóricamente utilizando el enfoque de simulación de aproximación de colisión binaria (BCA). Por ejemplo, se puede esperar que los iones H y He con energías inferiores a 10 keV conduzcan a cascadas puramente lineales en todos los materiales.

Ilustración esquemática de una cascada de colisiones lineales. La línea gruesa ilustra la posición de la superficie y las líneas más delgadas las trayectorias de movimiento balístico de los átomos desde el inicio hasta que se detienen en el material. El círculo violeta es el ion entrante. Los círculos rojo, azul, verde y amarillo ilustran los retrocesos primario, secundario, terciario y cuaternario, respectivamente. Entre las colisiones balísticas, los iones se mueven en una trayectoria recta.

El código BCA más comúnmente utilizado, SRIM [3], se puede utilizar para simular cascadas de colisiones lineales en materiales desordenados para todos los iones en todos los materiales hasta energías iónicas de 1 GeV . Sin embargo, tenga en cuenta que SRIM no trata efectos como el daño debido a la deposición de energía electrónica o el daño producido por electrones excitados. Las potencias de frenado nucleares y electrónicas utilizadas son ajustes de promedios a experimentos y, por lo tanto, tampoco son perfectamente precisas. La potencia de frenado electrónica se puede incluir fácilmente en la aproximación de colisión binaria [4] o en simulaciones de dinámica molecular (MD). En las simulaciones MD se pueden incluir como una fuerza de fricción [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] o de una manera más avanzada siguiendo también el calentamiento de los sistemas electrónicos y acoplando los grados de libertad electrónicos y atómicos. [13] [14] [15] Sin embargo, persisten incertidumbres sobre cuál es el límite de baja energía apropiado de la potencia de frenado electrónica o el acoplamiento electrón-fonón. [12] [16]

En cascadas lineales, el conjunto de retrocesos producidos en la muestra se puede describir como una secuencia de generaciones de retroceso dependiendo de cuántos pasos de colisión hayan pasado desde la colisión original: átomos de impacto primarios (PKA), átomos de impacto secundarios (SKA), átomos de impacto terciarios (TKA), etc. Dado que es extremadamente improbable que toda la energía se transfiera a un átomo de impacto, cada generación de átomos de retroceso tiene en promedio menos energía que la anterior y, finalmente, las energías de los átomos de impacto caen por debajo de la energía de desplazamiento umbral para la producción de daño, punto en el cual no se puede producir más daño.

Picos de calor (picos térmicos)

Cuando el ion es lo suficientemente pesado y energético, y el material es denso, las colisiones entre los iones pueden ocurrir tan cerca una de otra que no pueden considerarse independientes unas de otras. En este caso, el proceso se convierte en un proceso complicado de interacciones de muchos cuerpos entre cientos y decenas de miles de átomos, que no se puede tratar con el BCA, pero se puede modelar utilizando métodos de dinámica molecular . [1] [17]

Igual que en el caso anterior, pero en el medio la zona de colisiones se ha vuelto tan densa que se producen múltiples colisiones simultáneas, lo que se denomina pico de calor. En esta zona los iones se mueven en trayectorias complejas y no es posible distinguir el orden numérico de los retrocesos, por lo que los átomos están coloreados con una mezcla de rojo y azul.

Normalmente, un pico de calor se caracteriza por la formación de una región subdensa transitoria en el centro de la cascada y una región sobredensa a su alrededor. [1] [18] Después de la cascada, la región sobredensa se convierte en defectos intersticiales y la región subdensa normalmente se convierte en una región de vacantes .

Si la energía cinética de los átomos en la región de colisiones densas se recalcula en temperatura (utilizando la ecuación básica E = 3/2·N·k B T), se encuentra que la energía cinética en unidades de temperatura es inicialmente del orden de 10.000 K. Debido a esto, la región puede considerarse muy caliente y, por lo tanto, se llama pico de calor o pico térmico (los dos términos suelen considerarse equivalentes). El pico de calor se enfría a la temperatura ambiente en 1-100 ps, ​​por lo que la "temperatura" aquí no corresponde a la temperatura de equilibrio termodinámico. Sin embargo, se ha demostrado que después de aproximadamente 3 vibraciones reticulares, la distribución de energía cinética de los átomos en un pico de calor tiene la distribución de Maxwell-Boltzmann , [19] lo que hace que el uso del concepto de temperatura esté algo justificado. Además, los experimentos han demostrado que un pico de calor puede inducir una transición de fase que se sabe que requiere una temperatura muy alta, [20] lo que demuestra que el concepto de temperatura (de no equilibrio) es de hecho útil para describir cascadas de colisiones.

En muchos casos, la misma condición de irradiación es una combinación de cascadas lineales y picos de calor. Por ejemplo, los iones de Cu de 10 MeV que bombardean Cu se moverían inicialmente en la red en un régimen de cascada lineal, ya que el poder de frenado nuclear es bajo. Pero una vez que el ion de Cu se desacelerara lo suficiente, el poder de frenado nuclear aumentaría y se produciría un pico de calor. Además, muchos de los retrocesos primarios y secundarios de los iones entrantes probablemente tendrían energías en el rango de keV y, por lo tanto, producirían un pico de calor.

Por ejemplo, para la irradiación de cobre, es casi seguro que energías de retroceso de alrededor de 5-20 keV produzcan picos de calor. [21] [22] A energías más bajas, la energía en cascada es demasiado baja para producir una zona similar a un líquido. A energías mucho más altas, los iones de Cu probablemente conducirían inicialmente a una cascada lineal, pero los retrocesos podrían conducir a picos de calor, al igual que el ion inicial una vez que se haya ralentizado lo suficiente. El concepto de energía umbral de ruptura de subcascada significa la energía por encima de la cual es probable que un retroceso en un material produzca varios picos de calor aislados en lugar de uno solo denso.

En YouTube se encuentran disponibles animaciones basadas en simulación por computadora de cascadas de colisiones en el régimen de picos de calor. [23]

Picos térmicos de iones pesados ​​rápidos

También se puede considerar que los iones pesados ​​rápidos , es decir, los iones pesados ​​de MeV y GeV que producen daños por una detención electrónica muy fuerte, producen picos térmicos [24] [25] en el sentido de que conducen a un fuerte calentamiento reticular y una zona atómica desordenada transitoria. Sin embargo, al menos la etapa inicial del daño podría entenderse mejor en términos de un mecanismo de explosión de Coulomb . [26] Independientemente de cuál sea el mecanismo de calentamiento, está bien establecido que los iones pesados ​​rápidos en los aisladores suelen producir pistas de iones que forman largas zonas de daño cilíndricas [24] [27] de densidad reducida. [28] [29]

Escala de tiempo

Para entender la naturaleza de la cascada de colisiones, es muy importante conocer la escala de tiempo asociada. La fase balística de la cascada, cuando el ion/retroceso inicial y sus retrocesos primarios y de orden inferior tienen energías muy por encima de la energía de desplazamiento umbral , normalmente dura 0,1-0,5 ps. Si se forma un pico de calor, puede durar unos 1-100 ps hasta que la temperatura del pico se haya enfriado esencialmente hasta la temperatura ambiente. [30] El enfriamiento de la cascada se produce a través de la conductividad térmica reticular y por la conductividad térmica electrónica después de que el subsistema iónico caliente haya calentado el electrónico a través del acoplamiento electrón-fonón. Desafortunadamente, la tasa de acoplamiento electrón-fonón del sistema iónico caliente y desordenado no se conoce bien, ya que no se puede tratar de la misma manera que el proceso bastante conocido de transferencia de calor de los electrones calientes a una estructura cristalina intacta. [31] Finalmente, la fase de relajación de la cascada, cuando los defectos formados posiblemente se recombinan y migran, puede durar desde unos pocos ps hasta tiempos infinitos, dependiendo del material, sus propiedades de migración y recombinación de defectos y la temperatura ambiente.

Efectos

Secuencia de imágenes del desarrollo temporal de una cascada de colisiones en el régimen de picos de calor producidos por un ion Xe de 30 keV que impacta sobre Au en condiciones de canalización . La imagen se produce mediante una simulación de dinámica molecular clásica de una cascada de colisiones. La imagen muestra una sección transversal de dos capas atómicas en el medio de una celda de simulación tridimensional. Cada esfera ilustra la posición de un átomo y los colores muestran la energía cinética de cada átomo, como lo indica la escala de la derecha. Al final, permanecen tanto los defectos puntuales como los bucles de dislocación .

Producción de daños

Dado que las energías cinéticas en una cascada pueden ser muy altas, pueden llevar al material localmente muy lejos del equilibrio termodinámico. Por lo general, esto da como resultado la producción de defectos . Los defectos pueden ser, por ejemplo, defectos puntuales como pares de Frenkel , bucles de dislocación ordenados o desordenados , fallas de apilamiento [32] o zonas amorfas [33] . La irradiación prolongada de muchos materiales puede conducir a su amorfización completa, un efecto que ocurre regularmente durante el dopaje por implantación iónica de chips de silicio [34] .

La producción de defectos puede ser perjudicial, como en los reactores de fisión y fusión nucleares, donde los neutrones degradan lentamente las propiedades mecánicas de los materiales, o un efecto de modificación de materiales útil y deseado, por ejemplo, cuando se introducen iones en estructuras de pozos cuánticos de semiconductores para acelerar el funcionamiento de un láser. [35] o para fortalecer nanotubos de carbono. [36]

Una característica curiosa de las cascadas de colisiones es que la cantidad final de daño producido puede ser mucho menor que el número de átomos inicialmente afectados por los picos de calor. Especialmente en metales puros, la producción final de daño después de la fase de pico de calor puede ser órdenes de magnitud menor que el número de átomos desplazados en el pico. [1] Por otro lado, en semiconductores y otros materiales unidos covalentemente la producción de daño suele ser similar al número de átomos desplazados. [1] [22] Los materiales iónicos pueden comportarse como metales o semiconductores con respecto a la fracción de daño recombinado. [37]

Otras consecuencias

Las cascadas de colisiones en las proximidades de una superficie a menudo conducen a la formación de cráteres , tanto en los regímenes de picos lineales como de picos de calor. [21] Los picos de calor cerca de las superficies también conducen con frecuencia a la formación de cráteres. [38] [39] Esta formación de cráteres es causada por el flujo líquido de átomos, [40] pero si el tamaño del proyectil supera aproximadamente los 100.000 átomos, el mecanismo de producción de cráteres cambia al mismo mecanismo que el de los cráteres macroscópicos producidos por balas o asteroides. [41]

El hecho de que muchos átomos sean desplazados por una cascada significa que los iones pueden utilizarse para mezclar deliberadamente materiales, incluso materiales que normalmente son inmiscibles termodinámicamente. Este efecto se conoce como mezcla por haz de iones . [42]

La naturaleza no equilibrada de la irradiación también se puede utilizar para sacar a los materiales del equilibrio termodinámico y, así, formar nuevos tipos de aleaciones. [43]

Véase también

Referencias

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