Amorfisering av kvarts Matilda Backholm Seminarieövning Institutionen för fysik

2 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Kristallint vs. amorft Kristallint ämne “Fast ämne vars atomer, molekyler eller joner bildar en regelbunden struktur som upprepar sig exakt i alla tre dimensioner” Amorft ämne “Fast ämne utan ordnad struktur” FCC BCC [ Amorfisering

3 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Amorfisering Kraftig uppvärmning av kristallin struktur. Den potentiella energin höjs från det mest energetiskt lönsamma tillståndet. Bindningarna bryts och atomernas positioner förändras. Snabb nedkylning. Atomerna lugnar ner sig och intar nya och oordnade positioner.

4 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Alternativ amorfisering med rekyler Bombardera kristallen med mer eller mindre energetiska joner. Ger energi åt cellen och höjer alltså den potentiella energin. Amorfisering sker efter tillräckligt många rekyler.

5 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Kvarts genom historien enligt… Tyskarna: Ordet härstammar från tyska “quarz”. Aboriginerna: Maban/Mabain (magisk sten). Vissa utvalda fick magiska krafter av denna. Romarna: Permanent is, frusen över mycket lång tid. -Mineralen hittades endast vid glaciärerna i Alperna och inte på vulkaniskt berg. -Stora kvartskristaller formades till bollar för att kyla ner händerna med. [ ] [ ]

6 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Kvarts Kristallint kiseldioxid (SiO 2 ). Den vanligaste mineralen i jordskorpan (11 volym%). Används som råvara till glas och porslin. Vanlig smyckessten pga sin hådhet. Kisel framställs ur kvartssand. [ ] [ ] [ ]

7 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Kvarts i industrin Den vanligaste isolatorn inom elektronikindustrin. Integrerad elektronik Nanoteknologin har utvecklat andra gateoxider (isolatorer) men kiseloxid kommer fortfarande att vara den vanligaste isolatorn i andra delar av kretsarna. Piezoelektriska egenskaper Används i klockor, datorer, radiosändare, AFM etc. [ ] [ ]

8 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Kvarts struktur Består av gitter av SiO 2 tetraeder. De röda atomerna kisel och de blåa syre. [ ] Trigonalt (tidigare kallat romboedriskt) kristallsystem. [

9 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Molekyldynamiska (MD) simuleringar Olika potentialmodeller för atomväxelverkan. Rörelseekvationerna löses för alla atomer i en struktur. [ ]

10 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning MD-simuleringar Start x i och v i bestäms F ij beräknas mha potentialen Rörelseekvationerna löses numeriskt för alla atomer t = t + Δt Är t > t max ? Slutlig analys Ja Nej [Antti Kuronen, Introduction to atomistic simulations]

11 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Simuleringsegenskaper Simulerar en “bulk”process Ingen ytfysik nödvändig. Gränsvillkor De atomer som far ut på den ena sidan kommer in på den andra...

12 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Att MD-simulera amorfisering med rekyler Simuleringssteg Rekyl. -Atomen närmast mitten av kuben får en viss mängd rekylenergi i slumpmässig riktning. Relaxering av tryck. -Detta för att jämna ut trycket i cellen efter rekylen. Förskjutning av cell genom periodiska gränsvillkor. Repetera.

13 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Varför amorfisera med rekyler? Tillverkning av nanoklustrar genom implantering i SiO 2 Genom att bestråla t.ex. kvarts uppstår “klumpar” (=nanoklustrar). Dopa SiO 2 med implantering för optiska egenskaper Strålningsskadorna relevanta Egentligen: Watanabe (three body) potentialen användes -Ny potential som Kai ville testa Vetenskapligt intresse

14 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Simuleringarna Tidsskala för simuleringen -15 ps rekyl + 3 ps relaxeringen -20 min (30 eV) – 12 h (1000 eV) per rekyl >> rekylsimuleringar Totalt ,3 timmar (2 208,33 dygn eller 6,05 år)‏

15 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Skjutande av jon I cellen undersöks en inkommande jons framfart. Många atomer träffas och får en viss rekylenergi. Hela processen undersöks. Röda: kiselatomer Gula: syreatomer

16 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Rekylspektrum Rekylenergierna mellan 3 eV och 1000 eV valdes ur fördelningskurvan. Beskriver experiment och verklighetens strålningsskador bättre. J. Nord et al. Physical Review B, 65 (2002)

17 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Strålningseffekterna i cellen Strålningseffekterna varierar beroende på rekylenergierna. Konstant energi För att undersöka effekten av olika energier. Rekylspektrum Mer verlkighetstroget. RekylenergiAntal atomer 30 eV eV eV eV eV9 720

18 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Animering av amorfiseringen Stillbilder tagna före var tionde rekylsimulering. Röda: kiselatomer Gula: syreatomer

19 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Kristallint till amorft InitialstrukturStruktur efter 1337 rekyler

20 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Resultat Graf över den potentiella energins förändring med avseende på energidosen (~rekylantalet).

21 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Resultat Graf över volymens förändring med avseende på dosen.

22 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Resultat RBS = Rutherford backscattering spectroscopy Experimentell data tagen från “F. Harbsmeier and W. Bolse, J. Appl. Phys. 83 (1998) 4053”

23 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Sammanfattning Amorfiseringen gjordes pga vetenskapligt intresse och testning av ny potential. Går att undersöka med MD-simuleringar. Initiala resultat överensstämmer approximativt med experimentella värden.

24 Matilda Backholm, Amorfisering av kvarts, Seminarieövning Tack Handledning Olli Pakarinen Kai Nordlund Flyura Djurabekova Kristoffer Meinander Tack för er uppmärksamhet!