Study of physical processes associated with argon cluster projectile hitting Ag(111) surface

The study compared the effectiveness achieved by projectiles made of a different number of argon atoms in the removal of atoms from the surface of silver crystal, by hitting this surface. They are based on an analysis of the sputtering yields calculated using molecular dynamics computer modeling. To interpret the obtained results images made using positions of atoms in the various steps of the simulation of sputtering process calculated by the program were also used. The program, whose output has been compiled, modeled only the elastic energy transfer processes. The range of values ​​of the primary kinetic energy of the projectiles in these simulations is much larger than considered so far, and includes values ​​greater than previously considered in scientific papers. The aim of this study is to answer the question, whether patterns of efficiency of the observed erosion of the material bombarded with low-energy projectiles remain true for much higher energies.The observed relationship between the sputtering yield and the primary kinetic energy of the cluster projectile Ar872 is not linear over a wide range of energy, which has not been previously investigated. This may indicate the influence of unknown effects on the sputtering process for high energy, which result in increased efficiency of forced atomic emission from the crystal surface of silver.For the projectile of primary kinetic energy of 1000 keV the best performance is achieved by Ar101 cluster. Most likely, for the clusters of different sizes other kinetic energy will be most effective. This is related to the kinetic energy per one atom and the surface of the projectile interaction with the crystal surface, which determine the density of deposited energy in the bombarded material and the depth at which it will be deposited.In carrying out simulations for the sputtering process for high energy per atom of the projectile, it can be estimated, at which point, for specific atoms, forming a surface and projectile, the performance of emission per atom shell stop growing. This information can be very useful in the experiments.The analysis allowed to observe that for the value of the primary kinetic energy of projectiles exceding those considered so far, the results of the simulation derive from the dependencies observed for lower energies. Many of the reported conclusions are not sustainable in a broader range of energy. In this area, more research is needed: both experimental and by computer modeling.

W pracy dokonano porównania efektywności osiąganej przez pociski złożone z różnej liczby atomów argonu w usuwaniu atomów z powierzchni kryształu srebra, poprzez uderzenie w tę powierzchnię. Oparto je o analizę współczynników rozpylenia obliczonych przy pomocy modelowania komputerowego metodą dynamiki molekularnej. Do interpretacji otrzymanych wyników posłużyły również ilustracje wykonane na podstawie położeń atomów w różnych krokach symulacji procesu rozpylania obliczonych przez wykorzystany program. Program, którego dane wyjściowe zostały opracowane, modelował jedynie elastyczne procesy przekazu energii. Zakres wartości energii kinetycznej pocisku w tych symulacjach jest znacznie szerszy niż uwzględniane do tej pory i obejmuje wartości większe od rozpatrywanych dotychczas w pracach naukowych. Celem tej pracy jest próba odpowiedzi na pytanie, czy zależności efektywności erozji bombardowanego materiału zaobserwowane przy niskich energiach pocisków pozostają prawdziwe dla znacznie wyższych energii.Zaobserwowany charakter zależności współczynnika rozpylenia od pierwotnej energii kinetycznej dla pocisku klasterowego Ar872 nie jest liniowy w szerokim zakresie energii, co nie zostało wcześniej zbadane. Może to świadczyć o wpływie nieznanych dotąd efektów na proces rozpylania dla wysokich energii, które skutkują wzrostem efektywności wymuszenia emisji atomów z powierzchni kryształu srebra.Dla pierwotnej energii kinetycznej pocisku klasterowego równej 1000 keV największą wydajność osiągnął klaster Ar101. Najprawdopodobniej dla innych energii kinetycznych klastry o innej wielkości będą najbardziej efektywne. Jest to związane z energią kinetyczną przypadającą na jeden atom oraz powierzchnią oddziaływania pocisku z tarczą, które decydują o gęstości energii zdeponowanej w bombardowanym materiale oraz głębokości, na jakiej zostanie ona zdeponowana.Wykonując symulacje procesu rozpylania dla wysokich energii przypadających na atom pocisku, można oszacować, w którym miejscu, dla konkretnych atomów tworzących tarczę oraz pocisk, wydajność emisji przypadająca na jeden atom pocisku przestaje rosnąć. Te informacje mogą być bardzo przydatne w zastosowaniach doświadczalnych.Wykonana analiza pozwoliła zaobserwować, że dla wartości pierwotnej energii kinetycznej pocisków przekraczających wartości rozpatrywane do tej pory, w wynikach symulacji wstępują odstępstwa od zależności obserwowanych dla niższych energii. Wiele wykazanych wniosków jest nie do utrzymania w szerszym zakresie energii. W tym obszarze konieczne są kolejne badania: zarówno doświadczalne, jak i przy pomocy modelowania komputerowego.