Upgrade and comparative benchmarking of a new BCA code GUI, named BCA-GUIDE, for studying ion-solid interactions

Abstract

Das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Ionen und Festkörpern ist in zahlreichen wissenschaftlichen Bereichen von Interesse. Nicht nur in der Forschung, sondern auch in Anwendungsbereichen wie Halbleiterherstellungstechniken oder medizinischen Behandlungsmethoden ist ein Verständnis dieser Prozesse erforderlich. Um den Wechselwirkungsprozess zu beschreiben und wichtige Eigenschaften von Materialien unter Ionenbestrahlung vorherzusagen, wurden mehrere Computersimulationsprogramme entwickelt. Zwei populäre Programme, welche auf Basis der Binary Collision Approximation (BCA) arbeiten um diese Kollisionseffekte in Festkörpern zu berechnen, sind SDTrimSP und TRIDYN. Diese liefern unter anderem Ergebnisse über Zerstäubungsausbeuten oder Rückstreuung und Transmission von Projektilen.Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde daher eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) namens BCA-GUIDE (Binary Collision Approximation - Graphical User Interface for Displaying and Editing of simulations) erstellt, welche eine Weiterentwicklung einer bereits bestehenden, ausschließlich für SDTrimSP entwickelten GUI ist, um einem breiten Kreis an WissenschaftlerInnen den Zugang und die Handhabung mit diesen Simulationsprogrammen zu erleichtern. Aus diesem Grund wird die Benutzeroberfläche auch frei zur Verfügung gestellt. Wie ihr Vorgänger, ist sie als betriebssystemunabhängiges Programm verwendbar, da sie in Python geschrieben ist. Die Benutzeroberfläche bietet eine übersichtliche Schnittstelle zur Eingabe der wichtigsten Simulationsparameter, sowie eine Auswertung und Visualisierung der erzielten Ergebnisse. In der neuesten Version werden die Programme SDTrimSP und TRIDYN unterstützt. Um die implementierten Funktionen zu demonstrieren, werden in dieser Arbeit einige beispielhafte Simulationsresultate vorgestellt.Zudem wurde eine Vergleichsstudie durchgeführt, in der die Ergebnisse von SDTrimSP- und TRIDYN-Berechnungen unter Verwendung der Benutzeroberfläche mit einer experimentellen Messung verglichen wurden. Dazu wurde ein Festkörper mit bekannter Zusammensetzung mit 2keV Ar1+ Ionen bestrahlt und Zerstäubungsausbeuten gemessen. Zur Erfassung der experimentellen Daten wurde eine Quarzkristall-Mikrowaage (QCM) am Q-SPARX Messaufbau des Instituts für Angewandte Physik (IAP) der TU Wien verwendet. Vor der Datenerhebung wurde das Experiment mit einer Titansublimationspumpe (TSP) ausgestattet, welche zu Beginn der Diplomarbeit entworfen, gefertigt und installiert wurde.Die Resultate zeigen, dass für beide unterstützte BCA-Programme Simulationen mit Hilfe der BCA-GUIDE einfach gestartet und ausgewertet werden können. Dies ist insbesondere für eine rasche Einarbeitung in die Handhabung der Simulationsprogramme von Vorteil. Die GUI eignet sich hervorragend für die schnelle Überprüfung oder Vorhersage von relevanten Parametern für Ionen-Festkörper Wechselwirkungen, sowie für die Erstellung komplexer Simulationen. Außerdem lassen sich durch den verbesserten Messaufbau die Wartezeiten zwischen Experimenten beziehungsweise nach dem Öffnen der Vakuumkammer reduzieren, da der gewünschte Ultrahoch-Vakuum (UHV) Druck schneller erreicht wird.

Understanding the interactions between ions and solids is of interest in numerous scientific fields. Not only in research, but also in application areas such as semiconductor fabrication techniques or medical treatment methods, understanding of this process is required. In order to describe the interaction process and predict key properties of materials under ion irradiation, several computer simulation programs have been developed. Two popular programs that use the Binary Collision Approximation (BCA) to calculate these collision effects in solids are SDTrimSP and TRIDYN. These codes provide results on sputtering yields, projectile backscattering and transmission, among others.Within the scope of this diploma thesis, a Graphical User Interface (GUI) called BCA-GUIDE (Binary Collision Approximation - Graphical User Interface for Displaying and Editing of simulations) was therefore created, which is a further development of an already existing GUI solely developed for SDTrimSP, in order to facilitate accessibility for a wide range of scientists and direct comparability with these simulation programs. For this reason, the new user interface is also made freely available. Like its predecessor, it can be used as an operating system independent program since it is written in Python. The user interface provides a clear layout for entering the most important simulation parameters, as well as an evaluation and visualization of the obtained results. In its latest version, the programs SDTrimSP and TRIDYN are supported. To demonstrate the implemented functions, several exemplary simulation results are presented in this thesis.In addition, a comparative study was performed to analyze similarities and differences between the results of SDTrimSP and TRIDYN calculations using the user interface, and an experimental measurement. For this purpose, a solid of known composition was irradiated with 2 keV Ar1+ ions while sputtering yields were measured. A Quartz Crystal Microbalance (QCM) apparatus on the Q-SPARX measurement setup of the Institute of Applied Physics (IAP) at the TU Wien was used to acquire the experimental data. Prior to data collection, the experiment was equipped with a Titanium Sublimation Pump (TSP), which was designed, fabricated and installed at the beginning of the thesis.The results show that simulations can be easily started and evaluated within the BCA-GUIDE for both supported BCA codes. This is especially advantageous for a quick familiarization with the operation of the simulation programs. The GUI is very well suited for fast verification or prediction of key parameters relevant during ion-solid interactions, as well as for the creation of more advanced simulations. Besides, the improved measurement setup reduces idle times between experiments or after opening the vacuum chamber, as the desired Ultra-High Vacuum (UHV) pressure is reached more quickly.