Kanallık (fizik) - Channelling (physics)

Kanallık bir yolun yolunu kısıtlayan süreçtir yüklü parçacık içinde kristal katı.[1][2]

Katı bir hedef üzerine yüklü bir partikül, örneğin elastik saçılma esnek olmayan enerji kaybı süreçleri, ikincil elektron emisyonu, Elektromanyetik radyasyon, nükleer reaksiyonlar vb. Tüm bu süreçler Kesitler bu, tek tek hedef atomlarla çarpışmalarda yer alan etki parametrelerine bağlıdır. Hedef malzeme olduğunda homojen ve izotropik etki parametresi dağılımı, parçacığın momentumunun yönünden bağımsızdır ve etkileşim süreçleri de yönelimden bağımsızdır. Hedef malzeme monokristalin olduğunda, fiziksel işlemlerin verimleri, kristal eksenlere veya düzlemlere göre parçacığın momentumunun yönelimine çok güçlü bir şekilde bağlıdır. Veya başka bir deyişle, gücü durdurmak Parçacık belirli yönlerde diğerlerinden çok daha düşüktür. Bu etkiye genellikle "kanallık" etkisi denir. Parçacık gibi diğer yönelim bağımlı etkilerle ilgilidir. kırınım. Bu ilişkiler daha sonra ayrıntılı olarak tartışılacaktır.

Şekil 1. 110 kristal yönünde aşağıya bakıldığında yaklaşık 12 nm kalınlığında silikon kristal
Şekil 2. Rastgele döndürülmüş bir yönden bakıldığında Şekil 1'deki ile aynı Si kristali.

Tarih

Kanallama etkisi ilk olarak ikili çarpışma yaklaşımı 1963'te bilgisayar simülasyonları[1] standart iyon penetrasyonu teorilerine uymayan deneysel olarak gözlemlenen iyon aralığı dağılımlarında üstel kuyrukları açıklamak. Simüle edilen tahmin, ertesi yıl tek kristalli iyon penetrasyon derinliklerinin ölçümleriyle deneysel olarak doğrulandı. tungsten.[3] Kristallerden kanalize olan iyonların ilk iletim deneyleri, iyon dağılımının kristal gökkuşağı kanal etkisi ile belirlendiğini gösteren Oak Ridge Ulusal Laboratuar grubu tarafından gerçekleştirildi.[4]

Mekanizma

Basit, klasik bir bakış açısıyla, kanal oluşturma etkisi niteliksel olarak şu şekilde anlaşılabilir: Bir monokristalin yüzeyine düşen yüklü bir parçacığın yönü, büyük bir kristal yönüne yakınsa (Şekil 1), yüksek olasılığa sahip parçacık, kristaldeki birkaç atom katmanından geçerken ve dolayısıyla aynı kristal "kanalında" kalırken yalnızca küçük açılı saçılma yapar. Büyük bir kristal yönünde veya düzlemde değilse ("rastgele yön", Şekil 2), büyük açılı saçılmaya maruz kalma olasılığı çok daha yüksektir ve bu nedenle nihai ortalama penetrasyon derinliği muhtemelen daha kısa olacaktır. Parçacığın momentumunun yönü kristalin düzleme yakınsa, ancak ana kristal eksenlere yakın değilse, bu fenomen "düzlemsel kanallaşma" olarak adlandırılır. Kanallama genellikle iyonların malzemeye daha derin nüfuz etmesine yol açar, deneysel olarak ve bilgisayar simülasyonlarında gözlemlenen bir etki, bkz. Şekil 3-5.[5]

Negatif yüklü parçacıklar gibi antiprotonlar ve elektronlar pozitif yüklülere çekiliyor çekirdek düzlemin merkezini geçtikten sonra tekrar çekilecekler, bu nedenle negatif yüklü parçacıklar bir kristal düzlemin yönünü takip etme eğilimindedir.

Şekil 3. Si'deki 10 keV Si iyonu için kanalize kristal yönlerinin haritası.[6] Kırmızı ve sarı renkler, daha derin ortalama iyon penetrasyon derinliğine sahip yönleri, yani iyonların kanalize edildiği yönleri gösterir.
Şekil 4. Si'deki 15 keV B iyonu için deneysel olarak belirlenmiş penetrasyon derinliği profilleri, 100 ve 110 kristal kanallar boyunca ve ayrıca kanal oluşturmayan bir yönde. Veriler, üzerinden yumuşatma ile taranır. Ref.[7]
Şekil 5. İmplantasyon profilinin ana yönden yana yatırılması dikkate alınarak, tek kristal Au'da 80 keV Xe iyon penetrasyonunun ortalama penetrasyon derinliğinin bilgisayar simülasyonları. Bu simülasyonlar MDRANGE kodu ile yapılmıştır [8] Au nanotellerinin Xe ışınlaması üzerine bir çalışma için.[9] Ayrıca, ikili çarpışma yaklaşımı SRIM Kristal yapıyı hesaba katmayan ve bu nedenle kanal oluşturmayı hiç tanımlamayan kod. Kanal oluşturmanın gücü sırası, yani 110'un en güçlü etkiye sahip olduğu, 100'ün orta ve 111'in en zayıf etkiye sahip olduğu, deneysel gözlemlerle aynı fikirde. yüz merkezli kübik metaller.[10]

Kristalin düzlem yüksek yoğunlukta atomik elektron ve çekirdeğe sahip olduğundan, kanallı parçacıklar sonunda yüksek bir açıya maruz kalır. Rutherford saçılması veya elektronlarla çarpışmada enerji kayıpları ve kanalı terk eder. Buna "kanaldan arındırma" süreci denir.

Gibi pozitif yüklü parçacıklar protonlar ve pozitronlar bunun yerine düzlemin çekirdeklerinden püskürtülür ve iki komşu düzlem arasındaki boşluğa girdikten sonra, ikinci düzlemden itilirler. Dolayısıyla, pozitif yüklü parçacıklar iki komşu kristal düzlem arasındaki yönü izleme eğilimindedir, ancak her birinden mümkün olan en büyük mesafede. Bu nedenle, pozitif yüklü parçacıkların düzlemlerin çekirdeği ve elektronları ile etkileşime girme olasılığı daha düşüktür (daha küçük "kanal açma" etkisi) ve daha uzun mesafeler kat edilir.

Aynı fenomen, yüklü parçacıkların momentum yönü büyük bir kristalin, yüksek simetri eksenine yakın olduğunda meydana gelir. Bu fenomen "eksenel kanal oluşturma" olarak adlandırılır.

Düşük enerjilerde, kristallerdeki kanal etkisi yoktur, çünkü düşük enerjilerde küçük açılı saçılma, düzlemler arası mesafelerden daha büyük hale gelen büyük çarpma parametreleri gerektirir. Parçacığın kırınımı burada baskındır. Yüksek enerjilerde kuantum etkileri ve kırınım daha az etkilidir ve kanallık etkisi mevcuttur.

Başvurular

Kanallama efektlerinin özellikle ilginç birkaç uygulaması vardır.

Kanal efektleri, kristalin özelliklerini araştırmak için araçlar olarak kullanılabilir. kafes ve onun tedirginliği (gibi doping ) erişilemeyen toplu bölgede X ışınları Kanal oluşturma yöntemi, geçiş reklamlarının geometrik konumunu saptamak için kullanılabilir. Bu, önemli bir varyasyondur. Rutherford geri saçılması iyon ışını analiz tekniği, genellikle Rutherford geri saçılım / kanal oluşturma (RBS-C) olarak adlandırılır. Kanal oluşturma, atom altı mikroskopi için kullanılabilen iyon demetinin süper odaklanması için bile kullanılabilir.[11]

Daha yüksek enerjilerde (onlarca GeV ), uygulamalar, gelişmiş yüksek enerji üretimi için kanal radyasyonu içerir Gama ışınları ve dolaşımdaki ışının halesinden parçacıkların çıkarılması için bükülmüş kristallerin kullanılması parçacık hızlandırıcı.

Genel literatür

  • J.W. Mayer ve E. Rimini, Malzeme Analizi için Ion Beam El Kitabı, (1977) Academic Press, New York
  • L.C. Feldman, J.W. Mayer ve S.T. Picraux, İyon Kanallama ile Malzeme Analizi, (1982) Academic Press, New York
  • R. Hovden, H.L. Xin, D. A. Muller, Phys. Rev. B 86, 195415 (2012) arXiv:1212.1154
  • G.R. Anstis, D. Q. Cai ve D. J. H. Cockayne, Ultramicroscopy 94, 309 (2003).
  • D. Van Dyck ve J. H. Chen, Solid State Communications 109, 501 (1999).
  • S. Hillyard ve J. Silcox, Ultramicroscopy 58, 6 (1995).
  • S. J. Pennycook ve D.E. Jesson, Physical Review Letters 64, 938 (1990).
  • M.V. Berry ve Ozoriode.Am, Journal of Physics a-Mathematical and General 6, 1451 (1973).
  • M.V. Berry, Journal of Physics Kısım C Katı Hal Fiziği 4, 697 (1971).
  • A. Howie, Philosophical Magazine 14, 223 (1966).
  • P.B. Hirsch, A. Howie, R.B. Nicholson, D.W. Pashley ve M. Whelan, İnce kristallerin elektron mikroskobu (Butterworths London, 1965).
  • J. U. Andersen, Kanal Oluşturma Üzerine Notlar, http://phys.au.dk/en/publications/lecture-notes/ (2014)

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b Robinson, Mark T .; Öen, O. S. (1963). "Kristal Kafeslerdeki Enerjik Atomların Kanallaşması". Uygulamalı Fizik Mektupları. 2 (2): 30. Bibcode:1963ApPhL ... 2 ... 30R. doi:10.1063/1.1753757.
  2. ^ Gemmell, D. S. (1974). "Yüklü parçacıkların kristaller boyunca hareketinde kanal oluşturma ve ilgili etkiler". Rev. Mod. Phys. 46 (1): 129. Bibcode:1974RvMP ... 46..129G. doi:10.1103 / RevModPhys.46.129.
  3. ^ Kornelsen, E. V .; Brown, F .; Davies, J. A .; Domeij, B .; Piercy, G.R. (1964). "KeV Enerjilerinin Ağır İyonlarının Monokristal Tungstene Penetrasyonu". Fiziksel İnceleme. 136 (3A): A849. Bibcode:1964PhRv..136..849K. doi:10.1103 / PhysRev.136.A849.
  4. ^ Krause, H. F .; Datz, S .; Dittner, P. F .; Gomezd el Campo, J .; Miller, D. P .; Moak, C. D .; Nešković, N .; Pepmiller, P.L. (1986). "Eksenel iyon kanalizasyonunda gökkuşağı etkisi". Fiziksel İnceleme B. 33 (9): 6036. Bibcode:1964PhRv..136..849K. doi:10.1103 / PhysRevB.33.6036.CS1 Maint: ekstra noktalama (bağlantı)
  5. ^ Morgan, D.V. (1973). Kanal oluşturma: teori, gözlem ve uygulamalar. Londra: Wiley. ISBN  0471615102. OCLC  814411.
  6. ^ Nordlund, Kai; Djurabekova, Flyura; Hobler, Gerhard (2016). "Kristal yönlerinin büyük kısmı iyon kanalına yol açar". Fiziksel İnceleme B. 94 (21): 214109. Bibcode:2016PhRvB..94u4109N. doi:10.1103 / PhysRevB.94.214109.
  7. ^ Cai, David; Gro / Nbech-Jensen, Niels; Snell, Charles M .; Beardmore Keith M. (1996). "Moleküler dinamikler için fenomenolojik elektronik durdurma gücü modeli ve silikon içine iyon implantasyonunun Monte Carlo simülasyonu". Fiziksel İnceleme B. 54 (23): 17147–17157. arXiv:fizik / 9901056. Bibcode:1996PhRvB..5417147C. doi:10.1103 / PhysRevB.54.17147. PMID  9985850. S2CID  13436616.
  8. ^ Nordlund, K. (1995). "1-100 keV enerji aralığında iyon aralıklarının moleküler dinamik simülasyonu". Hesaplamalı Malzeme Bilimi. 3 (4): 448–456. doi:10.1016 / 0927-0256 (94) 00085-Q.
  9. ^ Greaves, G .; Hinks, J. A .; Busby, P .; Mellors, N. J .; Ilinov, A .; Kuronen, A .; Nordlund, K .; Donnelly, S. E. (2013). "Altın Nanorodlar Üzerindeki Tek İyon Etkilerinden Geliştirilmiş Püskürtme Verimleri" (PDF). Fiziksel İnceleme Mektupları. 111 (6): 065504. Bibcode:2013PhRvL.111f5504G. doi:10.1103 / PhysRevLett.111.065504. PMID  23971585.
  10. ^ Whitton, J.L. (1967). "Altınla Kanal Kurmak". Kanada Fizik Dergisi. 45 (5): 1947–1957. Bibcode:1967CaJPh. 45.1947W. doi:10.1139 / p67-149.
  11. ^ Petrović, S .; Nešković, N .; Berec, V .; Ćosić ,, M. (2012). "Kanallı protonların süper odaklanması ve atom altı ölçüm çözünürlüğü". Fiziksel İnceleme A. 85 (3): 291. doi:10.1103 / PhysRevA.85.032901.CS1 Maint: ekstra noktalama (bağlantı)

Dış bağlantılar