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Cascada de colisión

Una 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 pequeña esfera ilustra la posición de un átomo, en una sección transversal de dos capas de átomos de espesor de una celda de simulación tridimensional. Los colores muestran (en escala logarítmica) la energía cinética de los átomos, siendo el blanco y el rojo la energía cinética alta desde 10 keV hacia abajo y el azul la energía cinética baja.

En física de 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 los átomos o iones en una cascada de colisiones son superiores al umbral de energía de desplazamiento del material (decenas de eV o más), las colisiones pueden desplazar permanentemente a los átomos de sus sitios de red y producir defectos . El átomo energético inicial puede ser, por ejemplo, un ion de un acelerador de partículas , un retroceso atómico producido por el paso de un neutrón , electrón o fotón de alta energía , o 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 mucho dependiendo de la energía y la masa del retroceso/ion entrante y la densidad del material ( poder de frenado ).

Cascadas lineales

Ilustración esquemática de colisiones binarias independientes entre átomos.

Cuando la masa de retroceso/ion inicial es baja, y el material donde se produce la cascada tiene una densidad baja (es decir, la combinación de material de retroceso tiene un poder de frenado bajo ), las colisiones entre el retroceso inicial y los átomos de la muestra ocurren raramente y pueden ser entendido bien como una secuencia de colisiones binarias independientes entre átomos. Teóricamente, este tipo de cascada puede tratarse bien 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 del movimiento balístico de los átomos desde el principio hasta que se detienen en el material. El círculo violeta es el ion entrante. Los círculos rojos, azules, verdes y amarillos ilustran retrocesos primarios, secundarios, terciarios y cuaternarios, respectivamente. Entre las colisiones balísticas, los iones se mueven en línea recta.

El código BCA SRIM [3] más utilizado 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. Los poderes de frenado nucleares y electrónicos utilizados son ajustes promedio a los experimentos y, por lo tanto, tampoco son perfectamente precisos. El poder de frenado electrónico 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 fuerza de fricción [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] o de una manera más avanzada siguiendo también el calentamiento de la electrónica. sistemas y acoplar los grados de libertad electrónicos y atómicos. [13] [14] [15] Sin embargo, persisten incertidumbres sobre cuál es el límite de baja energía apropiado para 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 han pasado desde la colisión original: átomos de choque primarios (PKA), átomos de choque secundarios (SKA). , átomos terciarios knock-on (TKA), etc. Dado que es extremadamente improbable que toda la energía se transfiera a un átomo knock-on, cada generación de átomos en retroceso tiene en promedio menos energía que la anterior y, finalmente, el knock-on Las energías atómicas caen por debajo del umbral de energía de desplazamiento para la producción de daños, momento en el que ya no se pueden producir más daños.

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 entre sí que no pueden considerarse independientes entre sí. 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 mediante métodos de dinámica molecular . [1] [17]

Como arriba, pero en el medio la región de colisiones se ha vuelto tan densa que ocurren múltiples colisiones simultáneamente, lo que se llama pico de calor. En esta región los iones se mueven siguiendo 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 poco densa transitoria en el centro de la cascada y una región muy densa a su alrededor. [1] [18] Después de la cascada, la región sobredensa se convierte en defectos intersticiales y la región poco densa generalmente se convierte en una región de vacantes .

Si la energía cinética de los átomos en la región de colisiones densas se recalcula en temperatura (usando 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 denomina pico de calor o pico térmico (los dos términos generalmente se consideran equivalentes). El pico de calor se enfría a la temperatura ambiente en 1 a 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 de la red, la distribución de energía cinética de los átomos en un pico de calor tiene la distribución de Maxwell-Boltzmann [19] , lo que justifica en cierta medida el uso del concepto de temperatura. 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] demostrando que el concepto de temperatura (de no equilibrio) es realmente 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, 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 parada nuclear es bajo. Pero una vez que el ion Cu se desacelere lo suficiente, el poder de frenado nuclear aumentará y se producirá 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 a 20 keV produzcan picos de calor. [21] [22] A energías más bajas, la energía de la cascada es demasiado baja para producir una zona similar a un líquido. A energías mucho más altas, lo más probable es que los iones de Cu conduzcan inicialmente a una cascada lineal, pero los retrocesos podrían provocar picos de calor, al igual que el ion inicial una vez que se haya ralentizado lo suficiente. El concepto de energía umbral de ruptura en 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 y 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 rápidos de iones pesados

También se puede considerar que los iones pesados ​​rápidos , es decir, los iones pesados ​​MeV y GeV que producen daños por una parada electrónica muy fuerte , producen picos térmicos [24] [25] en el sentido de que conducen a un fuerte calentamiento de la red y a 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 ​​y rápidos en los aisladores generalmente producen pistas de iones que forman largas zonas de daño cilíndricas [24] [27] de densidad reducida. [28] [29]

escala de tiempo

Para comprender 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 del umbral de energía de desplazamiento , normalmente dura entre 0,1 y 0,5 ps. Si se forma un pico de calor, puede vivir entre 1 y 100 ps hasta que la temperatura del pico se haya enfriado esencialmente a la temperatura ambiente. [30] El enfriamiento de la cascada se produce a través de la conductividad térmica de la red y por la conductividad térmica electrónica después de que el subsistema iónico caliente haya calentado el electrónico mediante el acoplamiento electrón-fonón. Desafortunadamente, la velocidad de acoplamiento electrón-fonón del sistema iónico caliente y desordenado no se conoce bien, ya que no puede tratarse de la misma manera que el proceso bastante conocido de transferencia de calor desde 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 infinitas veces, 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 pico de calor producida 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, quedan 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. Normalmente esto da como resultado una producción defectuosa . 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 provocar su amorfización total, un efecto que se produce regularmente durante el dopaje por implantación iónica de chips de silicio . [34]

La producción de defectos puede ser dañina, 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 semiconductores para acelerar. El funcionamiento de un láser. [35] o para fortalecer los 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 de daño final 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 provocan chisporroteo , tanto en el régimen de picos lineales como en el de picos de calor. [21] Los picos de calor cerca de las superficies también conducen con frecuencia a la formación de cráteres. [38] [39] Este cráter es causado 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 usarse para mezclar materiales deliberadamente, incluso para materiales que normalmente son termodinámicamente inmiscibles. Este efecto se conoce como mezcla por haz de iones . [42]

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

Ver también

Referencias

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