原子/离子轰击固体溅射阈值的普适性规律与机制研究

《Vacuum》：Sputtering thresholds in collisions of atoms and ions with solids

本文通过蒙特卡洛模拟系统研究了不同质量比（M2/M1）条件下溅射阈值（Eth）的普适规律，提出以参数P=γEth/Us（其中γ为能量传递系数，Us为升华能）描述阈值行为的经验公式，揭示了轻/重质量比区间分别由级联溅射（cascade sputtering）和背散射粒子流主导的机制转换，为聚变装置第一壁材料（如ITER的钨/铍衬底）抗溅射设计提供关键理论支撑。

　　

表面势垒和升华能

我们将根据Sigmund和Eckstein的经典研究区分两种表面势垒类型。对于球形势垒（粒子从尖端发射），溅射粒子能量E₂需超过粒子-表面结合能（通常等于升华能U_s），即E₂ > U_s。对于平面势垒（光滑表面），发射条件变为E₂·cos2θ > U_s，其中θ为发射方向与表面法线的夹角。

普适参数P = γE_th/U_s、现有实验数据和计算

让我们引入参数P = γE_th/U_s，它反映了在阈值碰撞能量E_th下反冲粒子获得的最大能量与升华能U_s的比值。图4展示了参数P对碰撞粒子质量比M₂/M₁的依赖性。可用的实验数据极为有限。文章提供了通过计算机模拟获得的平面势垒数据。这些数据较为分散，这主要归因于阈值能量对表面势垒形状的敏感性。

M₂/M₁ < 1时的溅射机制

考虑不同的溅射机制。如图5所示，入射粒子可将能量传递给靶原子，该原子经过多次碰撞后，其动量方向转向表面并可能离开靶材。将此过程标记为PKA（初级撞出原子）。经过一系列碰撞后，撞出原子可能将能量传递给另一个靶原子；这是SKA过程（次级撞出原子）。我们将下标"in"与轨迹入射部分的过程相关联。

M₂/M₁ > 1时的溅射机制

图10表明，当碰撞能量接近阈值时，主导的溅射过程是由背散射粒子流撞出表面原子引起的（PKA-out和SKA-out过程）。

在散射角为β的情况下，射弹能量E₁定义为 E₁/E₀ = [M₁/(M₁+M₂)]2 · (cosβ ± {(M₂/M₁)2 ? sin2β}^1/2)2 = K₁(β)。这里E₀是入射离子能量，M₁和M₂分别是入射离子和靶原子的质量，β是散射角。

首先考虑...

估算溅射阈值的公式

最常考虑的情况是平面势垒。如图11所示，所呈现的数据具有良好的集中性。通过对现有实验数据和计算机模拟结果进行统计处理，可以得到一条解析曲线，定义如下：

P = γE_th/U_s = { 5.4, M₂/M₁ < 1; 4.2 / [1 + 0.692 · (M₂/M₁ ? 1.07)^1.19] + 1.10, M₂/M₁ > 1.07 }

如图11所示，Bohdansky和Pustovit提出的依赖关系在M₂/M₁ < 1区域没有平台期，并且不能反映主要的溅射...

阈值对束流入射角的依赖性

阈值对束流入射到靶材上的角度的依赖性可以在级联机制占主导地位（M₂/M₁ < 1）的情况下预期。在这种情况下，溅射粒子动量的总偏转角随着入射角的增加而减小。

如图12所示，参数P以及因此的溅射阈值E_th，首先随着入射角α的增加而减小，然后在掠射角时急剧增加。Eckstein团队提供的数据证实了这种...

结论

研究表明，参数P = γE_th/U_s（其中P是在近阈值碰撞能量下传递给靶粒子的最大能量与升华能的比值）可以通过碰撞束流粒子与靶粒子质量比的普适函数来描述。

我们提出了一个经验公式，允许估算任意质量比下的阈值。

阈值对碰撞粒子质量比的依赖性在M₂/M₁ < 1和M₂/M₁ > 1的情况下是不同的...