Molecular Dynamics for Efficient Simulations of High-Fluence Ion-Beam Irradiation of Materials

There has been a stagnation in the development of power-storage devices since the lithium-ion battery in 2019, and alternative ways to save power in devices connected to the Internet-of-Things (IoT) are highly sought for. One very promising way is to produce power-saving CMOS-compatible single-electron transistors (SETs) made of silicon, insulated with silica. Excessive silicon introduced into the silica matrix, through ion-induced atomic mixing, will self-assemble into a silicon nanodot acting as the quantum island of the SET during thermal annealing. Molecular dynamics (MD) has been used for decades to simulate the dynamics of atomistic systems exposed to ion beams, which also made MD the perfect choice for this study as well. We implemented a few speed-up models to make the irradiation simulation faster and at the same time more appealing to the industry for testing out irradiation conditions before applying them experimentally. We even included a graphical user interface to make the simulator more user friendly for external audiences. During the study we came up with a reliable way of combining layers of silicon-based materials to merge together the target structures. We used the merged structures to investigate the physical processes related to the irradiation-driven atomic mixing we were looking for. An understanding of the processes helps the community to more accurately apply the irradiation condition in the already available silicon-based processes used by the semiconductor industry when creating CMOS components. We found a connection between the initial momentum transfer from ions hitting a nanopillar perpendicularly at the tip and the ion hammering effect on nanoscale. The built-up tension directed downwards during the ballistic phase of the cascade and the low-energetic collisions of the fading cascade would start to press the atoms laterally outwards. Other noticeable effects during the irradiation were crystalline-to-amorphous phase shifts and local densifications of the silica.Utvecklingen av batterier har drastiskt stagnerat sen upptäckten av litiumjonbatteriet 2019. Som bäst undersöks alternativa metoder för att spara ström i apparater som kopplas trådlöst till internet och ett väldigt lovande alternativ är CMOS-kompatibla singelelektrontransistorer (SET) tillverkade av kisel och kiseldioxid. Med hjälp av jonstrålar kan man orsaka atomblanding över gränsskiktena mellan de ledande och isolerande lagren, som i sin tur orsakar ett överskott av obundna kiselatomer i den isolerande kiseldioxidmatrisen. Under uppvärmning formar överskottet av kiselatomer nanokristaller inuti isolatorn. Med rätt storlek, form och avstånd kan dessa nanokristaller fungera som en isolerad "kvantö", på vilken SETens hela grundprincip baseras. Molekyldynamik (MD) har under årtionden använts för att simulera rörelsen i atomistiska system exponerade för jonstrålar, vilket gjorde valet av MD perfekt för den här studien. Vi utvecklade uppsnabbningsmodeller för att göra bestrålningssimuleringarna mera effektiva och därmed också mera attraktiva för industriell applicering. För att göra simulatorn mera användarvänlig har vi också utvecklat ett grafiskt användargränssnitt för att förbereda MD-simuleringarna. Under studien kom vi på ett pålitligt sätt att kombinera lager av kiselbaserade material för att skapa stabila målstrukturer. Vi använde strukturerna för att undersöka vilka fysikaliska processer som driver den intressanta atomblandningen. Genom att bilda en bättre förståelse av processerna kan man lättare applicera strålningsförhållandet i existerande kiselbaserade tillverkningsprocesser inom halvledarindustrin för att skapa CMOS-kompatibla komponenter. Vi upptäckte en koppling mellan den överförda rörelsemängden från de mobila jonerna som träffade en nanopelare och jonhamringseffekten på nanoskala. Spänningen som byggdes upp längs med pelaren under den ballistiska fasen av jonkaskaderna och de lågenergetiska kollisionerna i slutskedet av kaskaderna pressade atomerna vinkelrätt utåt från ursprungsriktningen av jonerna. Andra synliga effekter jonstrålen hade på kiselnanostrukturerna var fasövergångar från kristallin till amorf fas, samt lokala förtätningar i kiseldioxiden