Методы модификации поверхности и тонких приповерхностных слоев, основанные на облучении ускоренными ионами, широко применяются, как технологически, так и в методах анализа свойств мишеней. Для облучения можно использовать пучки атомарных частиц и кластеров, состоящих из большого количества атомов. В частности, интерес представляет применение ускоренных ионов фуллерена С60. С их помощью можно выращивать функциональные углеродные покрытия, получать упорядоченные наноструктуры на поверхности кремния и т.д. В то же время, механизмы процессов, происходящих при попадании кластерного иона на поверхность существенно отличаются от случая облучения атомарными частицами и до сих пор мало изучены. Столкновение иона с поверхностью маски и последующие процессы происходят за времена ~ 1-5 пс, поэтому для анализа удобно применять метод молекулярно-динамического (МД) моделирования.
В работе проводилось облучение подложки Si (100) ионами С60 с энергиями 7-14 кэВ при температурах 300-700 К. Часть мишени закрывалась маской (осколок кремния) для получения четкой границы между облученной и исходной областями. Сканирование поверхности образца методом АСМ показало, что при малых флюенсах, вне зависимости от температуры мишени, в результате облучения в районе границы образуется протяженная траншея. Для изучения механизма ее формирования проведено моделирование с использованием пакета LAMMPS. Межатомные взаимодействия для всех пар атомов определялись потенциалом Терсоффа в комбинации с потенциалом Зиглера-Бирзака-Литтмарка (ZBL) для описания взаимодействия частиц с энергией больше 1 эВ. По боковым сторонам расчетной ячейки применялись периодические граничные условия. Нижние 3 слоя атомов мишени были зафиксированы. Для диссипации избыточной энергии использовался термостат Берендсена шириной в 1 элементарную ячейку по нижней стороне кристалла. На некоторой высоте над поверхностью помещалась молекула С60, все атомы которой в начальный момент времени направлялись в сторону мишени под углом 8° к боковой поверхности маски. Выполнялось моделирование, как одиночных случаев, так и последовательного падения многих молекул С60.
В ходе моделирования обнаружено, что усиление распыления в граничной области при облучении кластерами возникает вследствие изменения взаимного расположения атомов в молекуле фуллерена при скользящем соударении с боковой поверхностью маски. Сама маска при этом не распыляется. Этот механизм отличается от усиления распыления на границе за счет распыления боковой поверхности маски, наблюдаемого в случае облучения одноатомными ионами. В докладе будут подробно рассмотрены результаты экспериментов и моделирования, а также приведено сравнение полученных данных.
Работа выполнена при поддержке РНФ, грант № 22-19-00166.