Radiation effects in bulk and nanostructured silicon

Understanding radiation effects in silicon (Si) is of great technological importance. The material, being the basis of modern semiconductor electronics and photonics, is subjected to radiation already at the processing stage, and in many applications throughout the lifetime of the manufactured component. Despite decades of research, many fundamental questions on the subject are still not satisfactorily answered, and new ones arise constantly as device fabrication shifts towards the nanoscale. In this study, methods of computational physics are harnessed to tackle basic questions on the radiation response of bulk and nanostructured Si systems, as well as to explain atomic-scale phenomena underlying existing experimental results. Empirical potentials and quantum mechanical models are coupled with molecular dynamics simulations to model the response of Si to irradiation and to characterize the created crystal damage. The threshold displacement energy, i.e., the smallest recoil energy required to create a lattice defect, is determined in Si bulk and nanowires, in the latter system also as a function of mechanical strain. It is found that commonly used values for this quantity are drastically underestimated. Strain on the nanowire causes the threshold energy to drop, with an effect on defect production that is significantly higher than in an another nanostructure with similar dimensions, the carbon nanotube. Simulating ion irradiation of Si nanowires reveals that the large surface area to volume ratio of the nanostructure causes up to a three-fold enhancement in defect production as compared to bulk Si. Amorphous defect clusters created by energetic neutron bombardment are predicted, on the basis of their electronic structure and abundance, to cause a deleterious phenomenon called type inversion in Si strip detectors in high-energy physics experiments. The thinning of Si lamellae using a focused ion beam is studied in conjunction with experiment to unravel the cause for the failure of the thinning method for very thin samples. Simulations predict a mechanism of erosion of the structure which is observed as catastrophic shrinkage of the sample in experiment. The results of the thesis contribute to the understanding of fundamental questions of radiation effects in Si as well as provide explanations to known experimental conundrums. At the same time, the results unambiguously indicate that further experimental testing is needed in order to ultimately evaluate the accuracy of the theoretical predictions.Moderni elektroniikka perustuu piihin. Koska materiaali altistuu säteilylle jo komponenttien valmistusvaiheessa ja monissa sovelluksissa kautta laitteen eliniän, on säteilyvaikutusten ymmärtäminen piissä tärkeää. Vuosikymmeniä jatkuneesta tutkimuksesta huolimatta monet piin säteilyvaikutuksia koskevat keskeiset kysymykset ovat edelleen auki, ja uusia kysymyksiä syntyy jatkuvasti komponenttien koon pienentyessä kohti nanoskaalaa. Tässä tutkimuksessa käytetään laskennallisen fysiikan menetelmiä selvittämään bulkki- ja nanorakenteisen piin säteilyvaurioita koskevia peruskysymyksiä sekä selittämään tunnettuja koetuloksia atomiskaalan ilmiöillä. Empiirisiin potentiaaleihin ja kvanttimekaanisiin malleihin perustuvilla molekyylidynaamisilla simulaatioilla mallinnetaan piin käyttäytymistä säteilytyksen alaisena ja karakterisoidaan säteilytyksen synnyttämiä kidevaurioita. Pienin piihilassa kidevirheen tuottamiseksi vaadittava rekyylienergia, siirtymäkynnysenergia, määritetään bulkki-piissä ja piinanolangassa. Jälkimmäisessä tapauksessa suure lasketaan myös langan mekaanisen venymän funktiona. Tulosten mukaan kirjallisuudessa siirtymäkynnysenergialle annetut lukuarvot ovat selvästi aliarvioituja. Nanolangan siirtymäkynnysenergia pienenee venymän kasvaessa, mikä johtaa kidevirheiden tuoton kasvamiseen. Efekti on huomattavasti voimakkaampi nanolangassa kuin toisessa laajalti tutkitussa yksiulotteisessa nanorakenteessa, hiilinanoputkessa. Piinanolankojen ionisäteilytyksen simuloinnit osoittavat että lankojen suuri pinta-alan ja tilavuuden suhde johtaa jopa kolminkertaiseen kidevirheiden tuottoon verrattuna bulkki-piihin. Neutronisäteilytyksen bulkki-piissä synnyttämien amorfisten alueiden elektronirakennemallinnuksen perusteella näiden kidevirheiden ennustetaan olevan vastuussa säteilydetektorien elinikää rajoittavasta tyyppi-inversio ongelmasta. Simuloimalla ohuen piilevyn ionisuihkulla suoritettavaa ohennusta ja työskentelemällä rinnakkain kokeellisen ryhmän kanssa selviää, että syy ohennusmenetelmän epäonnistumiseen äärimmäisen ohuilla levyillä on atomiskaalan ilmiöihin perustuva eroosiomekanismi. Tämän tutkimuksen tulokset sekä auttavat ymmärtämään piin säteilyvaikutuksiin liittyviä perustavanlaatuisia kysymyksiä että tarjoavat selityksiä tunnettuihin kokeellisin arvoituksiin. Samalla tulokset osoittavat yksiselitteisesti, että tuotettujen teoreettisten kuvausten lopullisen tarkkuuden määrittäminen vaatii kattavampaa vertailua kokeellisiin tuloksiin