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Coulomb spike modelling of ion sputtering of amorphous water ice

クーロンスパイク法に基づく非晶質氷のイオンスパッタリングモデリング

Constantini, J.-M.*; 小川 達彦   

Constantini, J.-M.*; Ogawa, Tatsuhiko

イオンなどを物体に照射し、物体の構成原子や分子を放出させるスパッタリングは、工学的に重要な技術として様々な分野で利用されている。このスパッタリングで放出される原子や分子の運動では、入射粒子の運動と真逆に放出される成分があることが実験的に知られていた。従来、照射効果の予測に標準的に用いられてきたサーマルスパイクモデルでは、伝導により平衡に達した熱統計集団が蒸発して粒子を放出する。ただし、この放出は等方的であり、指向性のある成分は説明が付かない。本研究では、イオン照射で発生する電離が飛跡に沿って直線状に配置され、それらの間に働く電気的斥力がイオン照射方向に指向性を持つことに着想を得て、スパッタリングの角度分布をイオン照射で発生する静電気力により表現した。具体的な手法として、イオン照射によって発生する電離を飛跡構造解析コードRITRACKSを使用して計算し、その電離で発生する陽イオンの幾何的配置から、静電気力によるイオンの運動を計算した。その結果、1MeVの陽子や1MeV/uの炭素イオンを水に照射した場合、照射と逆方向 にイオンの噴出が確認できた他、スパッタリングの放出収量も先行研究の実験と矛盾ない結果が得られた。

Sputtering, emission of constituent atoms or molecules of materials induced by irradiation, is regarded as one of standard engineering techniques. According to some experimental data, emission of atoms whose direction is anti-parallel to incident radiation momentum was found among the sputtered atoms. Based on the standard approach, the thermal-spike model, atoms are evaporated by equillibrated thermal canonical ensemble resulted in by heat propagation therefore emission must be isotropic. Inspired by the fact that ionizations induced by ion irradiation are arranged linearly along the ion path, and the electric repulsion force between the ionizations tend to be parallel to irradiation axis, we developed an alternative approach in this study to explain the anisotropic emission. Using the spatial configuration of the irradiation-induced positive ions calculated by track-structure calculation code RITRACKS, the momentum of ions driven by the electric force was calculated. The calculated result explains the inverse jet of ions in case of 1 MeV proton and 1 MeV/u carbon ion irradiation to water. Moreover, the calculated sputtering yield also agrees with earlier experimental data.

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