Кратко — по механизмам и как они приводят к эрозии, наноструктурам и изменению состава.
1) Ядерные (упругие) столкновения — столкновения ионов с атомами мишени
- Формируют каскады столкновений, выбивание атомов (sputtering), точки дефекта (вакансии, межузелья) и перераспределение массы вблизи поверхности.
- Смертельно для эрозии: выходной коэффициент (sputter yield) пропорционален энергии, депонированной в близи поверхности: $Y\propto \frac{S_n}{U_0}$, где $S_n$ — ядерная остановка, $U_0$ — энергия связывания поверхности.
- Масштаб: каскады — нм, глубина внедрения — проективный радиус $R_p$ (зависит от энергии и масс иона/мишени).
2) Электронные взаимодействия — электронная остановка
- При крупных $S_e$ возможна электронная испарительная (electronic) sputtering, термальные «спайки» и локальное плавление с последующей рекристаллизацией (hillock'и). Влияет особенно для тяжёлых/скоростных ионов и изоляторов (Coulomb explosion в некоторых случаях).
3) Ионная имплантация и баллистическое смешение
- Ионы внедряются до глубины $R_p$, создают профиль концентрации ионов, вызывая легирование/аллиирование и изменение химии поверхности. Баллистическое смешение перемещает атомы по глубине и вдоль поверхности — приводит к образованию тонких слоёв, интерметаллидов или аморфного слоя.
4) Предпочтительная скупка (preferential sputtering) и поверхностная сегрегация
- Если разные элементы имеют разные $Y$, состав поверхности меняется: элемент с большим $Y$ высыпается быстрее — поверхность обогащается вторым компонентом → образование стехиометрически изменённого слоя, оксидов/нитридов при наличии реактивных газов.
5) Газовые пузыри и отслоение
- Ионы инертных газов (He, Ar) образуют пузыри/пузырьки, вызывающие вздутие и отслоение (blistering), кавитацию и микротрещины — сильная эрозия/изменение морфологии.
6) Диффузия, радиационно-ускоренная диффузия и химические реакции
- Ионные повреждения повышают мобильность атомов (radiation-enhanced diffusion), способствуют образованию соединений (реактивная имплантация, оксидирование) и фазовым превращениям (аморфизация, рекристаллизация).
7) Формирование наноструктур (волны, ряды наностолбиков, ямки)
- Механизм: конкуренция «дестабилизирующего» эрозионного эффекта, зависящего от кривизны поверхности, и «стабилизирующих» релаксационных процессов (поверхностная диффузия, вязкое течение).
- Линейная теория Bradley–Harper (упрощённо) для высоты поверхности $h(x,t)$:
${\partial }_{t}h=-v_0+{\nu }_x{\partial }_{xx}h+{\nu }_y{\partial }_{yy}h-K{\nabla }^{4}h$,
где ${\nu }_{x,y}$ — коэффициенты, связанные с зависимостью скорости эрозии от кривизны, $K$ — коэффициент релаксации (поверхностная диффузия).
- Из неё получается характерная длина ряби (амплитуда/ширина волн):
$\lambda \approx 2\pi \sqrt{\frac{2K}{|\nu |}}$.
- Нелинейные стадии описываются уравнением Куромото–Сиваш­инского:
${\partial }_{t}h=\nu {\nabla }^{2}h-K{\nabla }^{4}h+\frac{\lambda }{2}(\nabla h{)}^2+\eta$, дающим насыщение рельефа и сложные морфологии.
8) Массовый перенос (crater/mass-redistribution) и каскадные кратеры
- Помимо удаления, каждый удар формирует «кратер» и реактивно сдвигает материю — это даёт эффективный вклад в образование рябей и точечных наноструктур, часто доминирующий при малых энергиях.
9) Влияющие параметры (чем управлять)
- Энергия иона $E$, масса иона, угол падения $\theta$ (максимум $Y$ часто около $\theta \sim 60^{\circ }$), плотность потока (flux) и флюенс (fluence), температура мишени, кристалличность и химический состав мишени, наличие реактивных газов.
Коротко: эрозия происходит главным образом через ядерное выбивание (sputtering) и пузыри; нанорельеф — результат конкуренции кривизно‑зависящей эрозии и релаксации (Bradley–Harper → KS), плюс массовое перераспределение; состав поверхности меняется за счёт имплантации, баллистического смешения и предпочтительного выцарапывания/реакций. Для количественных оценок используют величины $Y(E,\theta )$, $S_n,S_e$, $R_p$ и модели SRIM/Монте‑Карло.