Title: Crystal restructuring by nano-scale melting
Language: English
Authors: Wachter, Georg
Qualification level: Diploma
Keywords: Ionisation; track; hillock; Elektronentransport; Elektron-Phonon-Wechselwirkung; Molekulardynamik; Oberfläche; CaF2; nano; Schmelzen
ionization; track; hillock; electron transport; electron-phonon interaction; molecular dynamics; surface; CaF2; nano; melt
Advisor: Lemell, Christoph
Assisting Advisor: Burgdörfer, Joachim
Issue Date: 2009
Number of Pages: 139
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Die Analyse der Wechselwirkung von schnellen schweren Teilchen und langsamen hochgeladenen Ionen (HGI) mit Isolatoren hat Parallelen zwischen den relevanten Prozessen aufgezeigt. Oberhalb einer Grenzenergie (kinetische Energie für schnelle schwere Teilchen, potentielle Energie für langsame HGI) wurde eine Restrukturierung der Probe beobachtet, was zu Spuren (engl. tracks) im Inneren und/oder Nano-Hügelchen (engl. nano-hillocks) auf der Oberfläche der Probe führt.
Vor kurzem wurde ein mikroskopischer Mechanismus für die Bildung von Nano-Hügelchen durch Beschuss mit langsamen HGI vorgeschlagen [1]. Die Aufheizung des Kristallgitters wird durch Elektron-Phonon-Wechselwirkung beschrieben. Das Resultat ist die Temperaturverteilung im Gitter ca. 100 fs nach dem Einschlag des HGI.
Diese Arbeit verwendet eine ähnliche Methode um die Bildung von Spuren durch schnelle schwere Projektile in einem Ionenkristall, CaF2, zu untersuchen. Die Ionisation der Probenatome wird durch zeitabhängige Störungstheorie beschrieben. Die ins Leitungsband angeregten Elektronen breiten sich im Festkörper aus und können Phononen anregen, was zu einer Aufheizung des Kristallgitters führt. Schmelzen und Restrukturierung infolge der Aufheizung werden in einer prototypischen Molekulardynamik(MD)-Simulation modelliert. Die selbe MD-Simulation wird verwendet, um das Modell für die Bildung von Nano-Hügelchen auf die Zeitskala von Pikosekunden auszudehnen. Für beide Prozesse werden Grenzwerte beobachtet. Ähnlichkeiten zwischen den Prozessen werden untersucht und andere Prozesse, die mit ähnlichen Methoden beschrieben werden können, werden vorgeschlagen. Referenzen:
[1] C. Lemell et al., Solid-State Electronics 51, 1398 (2007)

Investigations of the interactions of fast heavy particles and slow highly charged ions (HCI) with insulator targets have shown common features. Above a threshold energy (kinetic energy for fast heavy particles, potential energy for slow HCI), restructuring of the target material was observed leading to track formation in the bulk of the insulator and/or nano-hillock formation at its surface. Recently, a microscopic mechanism for the creation of nano-hillocks by slow HCI has been proposed [1], modelling lattice heating due to electron-phonon interaction and giving temperature distributions in the lattice around 100 fs after the HCI's impact. Following the same idea, this work investigates the creation of tracks by swift heavy ions in an ionic crystal, CaF2. Ionization of the target by swift projectiles is modeled using time-dependent perturbation theory. The electrons excited to the conduction band are propagated and excite phonons thereby heating the target lattice. Melting and restructuring are modeled in a proof-of-principle molecular dynamics (MD) simulation.
The same MD simulation is used to extend the model for nano-hillock formation to the picosecond time scale. Threshold behavior is observed for track as well as hillock formation. Similarities between the processes are investigated and other processes which could be simulated by similar methods are suggested.
References:
[1] C. Lemell et al., Solid-State Electronics 51, 1398 (2007)
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-29870
http://hdl.handle.net/20.500.12708/12531
Library ID: AC07452619
Organisation: E136 - Institut für Theoretische Physik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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