Atomistic Simulations of Ion Irradiation of Nanostructures for Industrial Applications

Ionisäteilytys on ollut teollisuuden puolesta merkittävän kiinnostuksen kohteena 1950-luvulta lähtien. Ionisäteet ovat nousseet käyttöön monilla aloilla johtuen niiden kyvyn muokata materiaalien ominaisuuksia hallitusti. Tärkeimpänä on ollut niiden sovellus puolijohdelaitteissa kuten diodeissa ja transistoreissa, missä tarpeellinen seostaminen eli douppaus yleisesti saavutetaan säteilyttämällä sopivilla ioneilla, mikä mahdollistaa jokapäiväisessä käytössä näkyvän teknologian kehityksen. Puolijohdelaitteiden jatkuvan pienentymisen myötä vaadittu tarkkuus valmistusprosessissa vastaavasti kasvaa. Näin ollen tarvitaan vahvoja mallinnustyökaluja ionisäteiden ymmärryksen ja soveltamisen edistämiseksi. Binääritörmäysapproksimaatio (BCA, binary collision approximation) otettiin käyttöön simulaatiotyökaluna 1950-luvulla. Se sallii monien säteilyyn liittyvien ilmiöiden ennustamisen yksittäisille törmäyskaskadeille, ja on käytössä monissa kokeellisissa laboratorioissa ja monilla teollisuuden aloilla tehokkuutensa vuoksi. BCA kuitenkaan ei pysty kuvailemaan kemiallisia tai termodynaamisia vaikutuksia, mikä rajoittaa sen käyttökelpoisuutta tilanteissa, joista ballistiset vaikutukset ovat riittämätön kuvaus. Yhtä aikaa BCA:n kanssa kehitettiin simulaatiotyökalu molekyylidynamiikka (MD, molecular dynamics). MD sallii tarkemman kuvauksen atomien välisistä voimista eli myös kemiallisista vaikutuksista. Se on kuitenkin kertaluokkia hitaampi kuin BCA-menetelmä. Tässä tutkielmassa kehitetään uusi muunnelma MD-algoritmista sekä MD:n että BCA:n hyötyjen ja vahvuuksien yhdistämiseksi. Törmäyskaskadiin liittyvien simuloitujen atomien aktivointi ja deaktivointi käytetään tapana säästää laskennallista työtä, keskittäen suoritettu laskenta kiinostuksen kohteena olevaan alueeseen kaskadin ympärillä ja jättäen ympäröivät, tasapainossa olevat alueet huomiotta. Yhdistämällä tämä algoritmi olemassaolevaan nopeutusjärjestelmään saavutetaan yhden kertaluokan nopeutus kovalenteilla materiaaleilla kuten Si ja Ge, joilla algoritmia testattiin. Kehitettyä algoritmin avulla tutkitaan Ge-nanolankojen taipumista Xe-ionisäteilytyksessä. Kokeellisesti on osoitettu, että nanolangat taipuvat joko ionisädettä kohti tai siitä poispäin, ja tietokonesimulaatiot voivat auttaa taustalla olevan fysikaalisen prosessin ymmärtämisessä. Tässä tutkielmassa simuloidaan korkean integroidun vuontiheyden säteilytystä Ge-nanolankaan, ja analysoidaan siitä seuraavaa defektirakennetta taipumisen tutkimiseksi, mikä toimii myös testinä kehitetylle algoritmille.Ion beams have been the subject of significant industry interest since the 1950s. They have gained usage in many fields for their ability to modify material properties in a controlled manner. Most important has been the application to semiconductor devices such as diodes and transistors, where the necessary doping is commonly achieved by irradiation with appropriate ions, allowing the development of the technology that we see in everyday use. With the ongoing transition to ever smaller semiconductor devices, the precision required of the manufacturing process correspondingly increases. A strong suite of modeling tools is therefore needed to advance the understanding and application of ion beam methods. The binary collision approximation (BCA) as a simulation tool was first introduced in the 1950s. It allows the prediction of many radiation-related phenomena for single collision cascades, and has been adopted in many experimental laboratories and industries due to its efficiency. However, it fails to describe chemical and thermodynamic effects, limiting its usefulness where ballistic effects are not a sufficient description. Parallel to BCA, the molecular dynamics (MD) simulation algorithm was developed. It allows a more accurate and precise description of interatomic forces and therefore chemical effects. It is, however, orders of magnitude slower than the BCA method. In this work, a new variant of the MD algorithm is developed to combine the advantages of both the MD and the BCA methods. The activation and deactivation of atoms involved in atomic cascades is introduced as a way to save computational effort, concentrating the performed computations in the region of interest around the cascade and ignoring surrounding equilibrium regions. By combining this algorithm with a speedup scheme limiting the number of necessary relaxation simulations, a speedup of one order of magnitude is reached for covalent materials such as Si and Ge, for which the algorithm was validated. The developed algorithm is used to explain the behavior of Ge nanowires under Xe ion irradiation. The nanowires were shown experimentally to bend towards or away from the ion beam, and computational simulations might help with the understanding of the underlying physical processes. In this thesis, the high-fluence irradiation of a Ge nanowire is simulated and the resulting defect structure analyzed to study the bending, doubling as a second test of the developed algorithm