Computer Simulation Methods of Ion Penetration in Matter

Samverkan mellan joner och materia spelar en viktig roll i den moderna kiselbaserade mikro- och nanoindustrin. Joner, accelererade till märkbara energier, kan penetrera material och tillåter kontrollerad anpassning av materialens egenskaper. Det är extremt viktigt att förstå karaktären hos dessa interaktioner. Den överlägset mest användbara metoden är datorsimulering. Modellerna som används i jonbestrålningsprogram är endera baserade på binärkollisionsapproximationer (BCA, från engelskans Binary Collision Approximation) eller molekyldynamik (MD). Den förstnämnda är den äldsta och mest använda metoden. Några av orsakerna till detta är: en enkel idé, snabba beräkningshastigheter och de användarvänliga grafiska användargränssnitt som medföljer programmen. Det finns ändå brister i noggrannheten jämfört med MD. MDRANGE, ett MD-program för beräkning av jonräckvidder, utvecklat vid Acceleratorlaboratoriet vid Helsingfors universitet, kombinerar noggrannheten från MD med hastigheten från BCA. Genom att ge verktyget ett grafiskt användargränssnitt kan det bli mer attraktivt för forskare utan tidigare programmeringserfarenheter. I detta arbete presenteras olika metoder och tekniker för beräkning av kinetiska joners genomträngningsförmåga i fasta material tillsammans med en överblick av de matematiska modeller som tillåter fysikaliskt korrekta beräkningar inom rimliga tidsramar. Generellt sett, för både BCA och MD, är den mest krävande delen av simulationerna beräkningen av interaktionen mellan två eller flera atomer. De här interaktionerna beräknas genom evaluering av potentialfunktioner specifikt anpassade för kombinationer av vissa atomtyper. Det grafiska användargränssnittet som jag utvecklat och presenterar här är avsett som ett robust hjälpredskap vid användningen av MDRANGE. De olika parametrarna har blivit uppdelade i skilda paneler och huvudfunktionaliteten för de olika delarna presenteras i detalj. Det är möjligt att generera åtminstone de tre obligatoriska filerna coords.in, elstop.in och param.in med verktyget. Fokus är främst ställt på param.in vid användningen av programmet. Förutom genereringen av de tre nämnda filerna finns det även verktyg för att undersöka simulationsresultaten i realtid under simuleringarna. Under de senaste fem årtiondena har det skett en enorm utveckling av simulationsmodeller ämnade för jonbestrålningsprocesser. Även om BCA-modellerna är överlägsna i beräkningshastighet, kan de inte tävla med MD-modellerna i beräkning av mångkroppsinteraktioner för atomer med kinetiska energier under 1 keV. MDRANGE utvecklades för att göra MD-simuleringarna jämförbara med BCA i hastighet utan att gå miste om mångkroppsinteraktionerna för långsammare joner. Med det grafiska användargränssnittet som jag utvecklat kommer programmet att bli ännu mera attraktivt för forskare i behov av beräkningsprogram för jonräckvidder, utan att sjäva vara införstådda med programmering.

Ionien ja aineen interaktiolla on erittäin suuri merkitys tämän päivän piihin perustuvassa mikro- ja nanoteollisuudessa. Ionit, joiden energiat on kiihdytetty huomattavan suuriksi, voivat penetroida aineen ja sallia aineen ominaisuuksien kontrolloidun soveltamisen. On äärimmäisen tärkeää ymmärtää näiden interaktioiden, ts. vuorovaikutusten, luonne. Käyttökelpoisin menetelmä tähän tarkoitukseen on tietokonesimulaatio. Ioinisäteilyohjelmissa käytettävät mallit perustuvat joko binääritörmäys-approksimaatioon (BCA, Binary Collission Approximation) tai molekyylidynamiikkaan (MD). Ensin mainittu on sekä vanhin että eniten käytössä oleva menetelmä. Tähän on mm. seuraavat syyt: yksinkertainen idea, suuret laskentanopeudet ja ohjelmien mukana tuleva käyttäjäystävällinen graafinen käyttöliittymä. BCA-ohjelmissa on kuitenkin tarkkuuspuutteita verrattuna MD:han. MDRANGE, joka on Helsingin yliopiston kiihdytinlaboratoriossa kehitetty MD-ohjelma ionien kantaman laskemiseksi, yhdistää MD:n tarkkuuden BCA:n nopeuteen. Kun tälle MD-työkalulle kehitetään graafinen käyttöliittymä, voi siitä tulla paljon houkuttelevampi aiempaa ohjelmointikokemusta vailla oleville tutkijoille. Tässä työssä esitellään erilaisia menetelmiä ja tekniikoita kineettisten ionien penetraationopeuden laskemiseksi kiinteässä aineessa sekä yleiskatsaus sellaisista matemaattisista malleista, jotka mahdollistavat fysikaalisesti oikeat laskelmat järkevissä laskemisajoissa. Yleisesti ottaen kaikkein vaativin osa simuloinneissa sekä BCA:n että MD:n kohdalla, on kahden tai useamman atomin vuorovaikutuksen laskeminen. Nämä vuorovaikutukset lasketaan arvioimalla potentiaalifunktioita, jotka on erityisesti sopeutettu eräille atomityyppien yhdistelmille. Tässä työssä kehitetty graafinen käyttöliittymä on tarkoitettu laajaksi aputyökaluksi MDRANGEn käytössä. Eri parametrit on jaettu eri paneeleihin ja niiden pääasialliset toiminnot esitellään yksityiskohtaisesti. Tällä työkalulla on mahdollista generoida ainakin seuraavat pakolliset kolme tiedostoa: coords.in, elstop.in ja param.in. Näistä kolmesta tiedostosta param.in on käyttöliittymän pääkohde. Näiden kolmen mainitun tiedoston generoinnin lisäksi on myös sisällytetty työkaluja simulointitulosten tutkimiselle reaaliajassa simulaatioiden aikana. Viiden viimeisen vuosikymmenen aikana on tapahtunut valtavaa kehitystä simulointimalleissa, jotka on tarkoitettu ionisäteilyprosessien tutkimiseen. Vaikka BCA-mallit ovat ylivoimaisia laskentanopeudeltaan, eivät ne voi kilpailla MD-mallien kanssa, kun lasketaan monen kappaleen vuorovaikutuksia atomeille, joiden kineettiset energiat ovat alle 1 keV. MDRANGE on kehitetty tekemään MD-simulaatiot vertailukelpoisiksi BCA:n kanssa nopeudessa, ilman, että monen kappaleen vuorovaikutukset hitaampien ionien tapauksissa menetetään. Tässä työssä esitelty kehittämäni graafinen käyttöliittymä tulee tekemään MD-ohjelmasta vielä suositumman sellaisten tutkijoiden joukossa, jotka tarvitsevat ionien kantaman laskentaohjelmaa ilman että heidän tarvitsisi itse perehtyä ohjelmointiin.