1、引言

離子濺射是指載能離子轟擊固體表面,打出離子和中性原子的現(xiàn)象[1]。離子濺射是離子與固體相互作用過(guò)程中的重要物理過(guò)程之一,在聚變反應(yīng)堆的壁效應(yīng)[2]、高能離子推進(jìn)器、磁控濺射鍍膜[3,4]、濺射離子泵、表面分析、高能離子的收集沉積[5,6]等領(lǐng)域均具有較高的應(yīng)用價(jià)值。在高能離子收集沉積過(guò)程,常用的離子加速結(jié)構(gòu)包含金屬絲狀結(jié)構(gòu),其性能及使用壽命是影響試驗(yàn)運(yùn)行穩(wěn)定性的重要因素,離子的濺射過(guò)程會(huì)造成金屬絲的表面損失,是影響服役性能及使用壽命的主要因素;因此,對(duì)離子濺射過(guò)程進(jìn)行模擬,研究不同合金靶材條件下的離子濺射產(chǎn)額,并基于離子濺射過(guò)程對(duì)金屬絲壽命進(jìn)行分析,延長(zhǎng)金屬絲結(jié)構(gòu)使用壽命具有重要意義。

目前模擬離子濺射過(guò)程中主要有蒙特卡羅方法(MonteCarlo,MC)以及分子動(dòng)力學(xué)方法(moleculardynamics,MD)。常用的基于蒙特卡羅方法進(jìn)行離子濺射過(guò)程模擬的程序?yàn)镾RIM

(thestoppingandrangofionsinmatter)程序[7],該程序基于1969年Sigmund建立的線性級(jí)聯(lián)碰撞理論[8],程序中同時(shí)包含了大量的實(shí)驗(yàn)修正數(shù)據(jù),對(duì)于離子入射單質(zhì)靶材工況適用性強(qiáng)[9,10],由于SRIM在程序計(jì)算過(guò)程中認(rèn)為固體靶為非晶靶,入射離子與靶材中原子的相互作用視為二體碰撞過(guò)程,未考慮合金晶體結(jié)構(gòu)和多體相互作用問(wèn)題,SRIM程序的計(jì)算結(jié)果可能存在較大偏差。

分子動(dòng)力學(xué)方法是按照該體系內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)規(guī)律來(lái)確定位置和速度隨時(shí)間演化的一種模擬方法,通過(guò)跟蹤系統(tǒng)中每個(gè)粒子的個(gè)體運(yùn)動(dòng),給出微觀量(粒子坐標(biāo)、速度)與宏觀可觀測(cè)量(溫度、壓力、比熱、彈性模量等)的關(guān)系[11–15],在計(jì)算過(guò)程中可以充分考慮合金基底中原子相互作用勢(shì),和離子與合金表面多體相互作用[16],更適用于高能離子入射合金靶材的離子濺射過(guò)程的計(jì)算。

本文基于分子動(dòng)力學(xué)方法,利用LAMMPS(large-scaleatomic/molecularmassivelyparallelsimulator)程序[17,18]對(duì)基底材料進(jìn)行原子晶體尺度建模,建立重離子入射合金靶材初始狀態(tài)及持續(xù)后入射靶材表面混亂狀態(tài)下的離子濺射參數(shù)計(jì)算模型;在此基礎(chǔ)上研究不同合金不同離子入射角條件下的濺射產(chǎn)額及金屬絲壽命與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,并基于理論模型找到了一種有利于金屬絲服役壽命提升的材料。

2、物理模型及模擬方法

當(dāng)載能離子入射合金靶材時(shí),會(huì)不斷與合金靶材中原子發(fā)生碰撞并損失能量,同時(shí)靶材中的原子在碰撞中獲得的能量超過(guò)其位移能后脫離原來(lái)的晶格位置,并與其他原子發(fā)生碰撞形成一系列反沖級(jí)聯(lián)碰撞,當(dāng)靶材表面的原子獲得的能量超過(guò)靶材表面的束縛能后脫離靶材表面形成濺射出射原子。在離子濺射過(guò)程中,離子濺射產(chǎn)額定義為每個(gè)入射離子引起靶材表面濺射出射原子的數(shù)量,濺射產(chǎn)額與入射離子的種類、能量、靶材種類等多種因素相關(guān)。

2.1離子濺射產(chǎn)額理論模型

在載能離子轟擊合金靶材的LAMMPS建模模擬過(guò)程中,選擇具有周期性邊界、表面取向?yàn)?111)的單個(gè)晶胞作為計(jì)算體系[19],基體溫度選擇為900K,在計(jì)算過(guò)程中模型域大小的控制、原子間相互作用勢(shì)的選取是影響模型復(fù)雜度及模型計(jì)算準(zhǔn)確性的重要因素。

2.1.1模型域和原子間相互作用力

由于離子濺射過(guò)程能量作用區(qū)域大,入射離子在靶材內(nèi)發(fā)生級(jí)聯(lián)碰撞的過(guò)程中,入射離子能量由晶格間金屬鍵進(jìn)行高效傳遞,由碰撞引起的能量傳遞距離較遠(yuǎn),而實(shí)際上影響碰撞濺射的較高能量傳遞范圍很小。對(duì)于濺射中心區(qū)域外部的原子層,同時(shí)具備吸收能量與反射能量的能力,為了充分反應(yīng)靶材濺射發(fā)展過(guò)程的同時(shí)降低單原子計(jì)算時(shí)間,提高計(jì)算效率,選取較小的靶材表面高能碰撞區(qū)域(24×24×18(lattice))作為中心碰撞區(qū)域內(nèi)層原子進(jìn)行模擬。同時(shí)利用Langevin控溫法[20]在碰撞區(qū)域外包裹一層額外的能量吸收反射原子層,以此替代大尺度模型中高能碰撞區(qū)域外的原子的方法。圖1為L(zhǎng)angevin控溫法模型域劃分示意圖。

在分子動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程中,原子和分子的軌跡是通過(guò)數(shù)值求解粒子相互作用系統(tǒng)的牛頓運(yùn)動(dòng)方程來(lái)確定,其中粒子之間的力Fc及勢(shì)能通常是通過(guò)原子間勢(shì)或分子力學(xué)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算,在內(nèi)層高能原子碰撞區(qū),常用的描述原子間相互作用勢(shì)有LJ(Lennard-Jones)勢(shì)[21]、EAM(EmbeddedAtomMethod)勢(shì)[22]、ZBL(ZieglerBiersackLittmark)勢(shì)[23]等,其中LJ勢(shì)通常用于描述二體原子之間的相互作用,EAM勢(shì)用于描述金屬原子之間的相互作用,ZBL勢(shì)更適用于金屬原子的近距離相互作用[23,24],選擇ZBL勢(shì)做為原子間相互作用勢(shì)函數(shù)。

根據(jù)Langevin控溫模型公式,在外層Langvein控溫層,在原有原子間作用力Fc基礎(chǔ)上額外增加兩項(xiàng)阻尼力Ff與Fr,以此模擬無(wú)限大原子模型對(duì)控溫層內(nèi)部區(qū)域的應(yīng)力吸收與反射:

式中,F為控溫區(qū)原子所受合力,eV/?;Fc為原子之間基于力場(chǎng)作用的保守力,eV/?;Ff為與粒子速度成正比的摩擦阻力,eV/?;Fr為溫度T下原子與其他粒子隨機(jī)碰撞所產(chǎn)生的力,eV/?;m為原子質(zhì)量,g;v為原子速度,?/ps;α為阻尼系數(shù),ps;kB為玻爾茲曼常數(shù),1。380649×10^–23J/K;T為原子溫度,K;dt為計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng),ps。

同時(shí)建立近似等價(jià)于無(wú)窮大基底(40×40×24(lattice))的模型及確定的主要碰撞區(qū)域的原子模型,分別選取不同阻尼系數(shù),對(duì)其進(jìn)行相同入射位置、相同入射能量和相同入射角度的濺射模擬,監(jiān)控在原子入射過(guò)程中的平均原子能量變化,當(dāng)計(jì)算模型中碰撞原子能量變化與無(wú)窮大基板中碰撞原子能量變化相同或相近時(shí),即認(rèn)為此時(shí)計(jì)算模型與無(wú)窮大基板等價(jià),當(dāng)選取的阻尼系數(shù)使得內(nèi)外層碰撞區(qū)域的原子能量波動(dòng),與近似無(wú)窮大基底條件下的原子能量波動(dòng)在各時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的偏差均≤10%時(shí),此時(shí)的阻尼系數(shù)α值為所求。

2.2持續(xù)入射條件下的離子濺射模型

由于離子引出過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),持續(xù)入射一段時(shí)間后,靶材表層含有大量的入射離子元素,為提高靶材由初始入射狀態(tài)至穩(wěn)定初始入射狀態(tài)的計(jì)算效率,對(duì)持續(xù)入射狀態(tài)靶材計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,借助蒙特卡羅方法,首先利用SRIM程序計(jì)算入射離子元素濺射產(chǎn)額為1時(shí)穩(wěn)態(tài)條件下,靶材內(nèi)部入射元素含量和分布隨深度變化的概率密度函數(shù)。

同時(shí),靶材經(jīng)過(guò)離子入射后,表層原子的晶格結(jié)構(gòu)被破壞,在經(jīng)歷足夠多次的濺射后,模擬區(qū)域的原子結(jié)構(gòu)逐漸變得混亂,最終達(dá)到穩(wěn)定的混亂狀態(tài),此時(shí)即為持續(xù)入射狀態(tài)下靶材不摻雜離子的原子結(jié)構(gòu),以此原子結(jié)構(gòu)分布作為基礎(chǔ),按照入射元素隨深度變化的概率密度分布函數(shù)將不同深度原有原子替換為入射元素原子并進(jìn)行充分弛豫,即可得到近似穩(wěn)態(tài)濺射的靶材原子模型,基于此模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)條件下的濺射參數(shù)計(jì)算。

2.3金屬絲壽命計(jì)算模型

在高能重離子進(jìn)行加速、收集的過(guò)程中,常見(jiàn)用于離子加速的一種陰極結(jié)構(gòu)為圓形絲狀結(jié)構(gòu),建立金屬絲服役壽命計(jì)算模型,對(duì)金屬絲使用壽命進(jìn)行評(píng)估。

在一定的離子入射強(qiáng)度及入射方向下,對(duì)于圓形金屬絲,各處的入射仰角(離子入射方向與入射平面法線夾角)均不相同,將圓形金屬絲簡(jiǎn)化為不同等分區(qū)域內(nèi)入射仰角相同的多邊形計(jì)算。金屬絲的質(zhì)量及表面損失為離子濺射損失,單位時(shí)間各等分區(qū)域內(nèi)截面變化如下:

式中,為入射離子通量(s^-1.cm^-2);為入射原子相對(duì)摩爾質(zhì)量;為靶材所含元素的濺射產(chǎn)額,為靶材所含元素的相對(duì)摩爾質(zhì)量,為靶材密度。

通過(guò)計(jì)算不同離子入射總量下,各等分區(qū)域截面變化情況,得到金屬絲截面隨離子入射總量的變化情況,進(jìn)而獲得金屬絲壽命。

3、結(jié)果及討論

3.1不同合金的濺射產(chǎn)額

3.1.1初始入射狀態(tài)下的濺射產(chǎn)額

以銫元素為例,計(jì)算了入射離子在能量為9keV入射,不同入射角,316L不銹鋼、625合金作為基底材料的條件下的濺射產(chǎn)額曲線及與SRIM計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,結(jié)果如圖2所示。

由圖2結(jié)果可知,當(dāng)基底材料為316L不銹鋼時(shí),分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算的濺射產(chǎn)額結(jié)果約為SRIM計(jì)算的2倍;當(dāng)基底材料為625合金時(shí),分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算的濺射產(chǎn)額結(jié)果與SRIM結(jié)果相近。對(duì)比結(jié)果表明,SRIM軟件未在計(jì)算中考慮晶格結(jié)構(gòu)對(duì)濺射過(guò)程的影響,而該影響在濺射產(chǎn)額計(jì)算中不可忽略,同時(shí)分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)得到的金屬絲材質(zhì)為316L不銹鋼時(shí)的壽命低于625合金結(jié)果相一致,因此后續(xù)壽命計(jì)算均需要以分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn),SRIM計(jì)算結(jié)果作為參考。

3.1.2持續(xù)入射條件下的濺射產(chǎn)額

根據(jù)持續(xù)入射條件下的原子模型,以銫元素在在能量為9keV入射316L不銹鋼為例,得到持續(xù)入射條件下的不銹鋼內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖3(b))。

將持續(xù)入射后的原子模型及原子間相互作用勢(shì)函數(shù)代入LAMMPS的計(jì)算中得到,不同入射仰角,316L不銹鋼、625合金作為基底材料持續(xù)入射的條件下的濺射產(chǎn)額曲線,結(jié)果如圖4所示。

圖4結(jié)果表明,在初始狀態(tài)下合金靶材具有完整的晶格結(jié)構(gòu),相鄰晶格原子間在濺射條件下能量傳遞指向性更高,有更大的能量傳遞至靶材表面,因此相比SRIM計(jì)算結(jié)果,初始狀態(tài)靶材分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算所得濺射產(chǎn)額更大。由于經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間入射后,合金金屬表層晶格被破壞,表層原子排列趨于混亂,因此持續(xù)入射后混亂狀態(tài)下的濺射產(chǎn)額小于初始狀態(tài)濺射產(chǎn)額。由于在625合金中含有8%—10%的鉬元素,部分鉬元素在合金基體中以固溶的形式存在,在強(qiáng)化了合金的同時(shí),給625合金帶來(lái)了一部分的晶格畸變,導(dǎo)致部分晶格不完整,使得入射離子的能量在傳遞的過(guò)程中更為分散,原子間的約束能力較弱,因此入射能量在合金中的耗散較快,傳遞至表面原子的能量較小,使得濺射產(chǎn)額較小,明顯低于316L不銹鋼的濺射產(chǎn)額。

3.2金屬絲壽命預(yù)測(cè)與驗(yàn)證

為確定長(zhǎng)時(shí)間入射后的金屬絲表面形貌變化對(duì)離子濺射參數(shù)的影響,對(duì)一塊離子長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)入射后的金屬平板表面進(jìn)行了掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)表面形貌測(cè)試,根據(jù)電鏡對(duì)其表面的觀測(cè)結(jié)果可知(圖5),宏觀上平整的平板表面并非光滑平面,經(jīng)過(guò)離子入射,表面呈現(xiàn)大小不一的“隕石坑”狀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)增加了部分粒子的入射角度,提高了實(shí)際濺射產(chǎn)額,因此需要評(píng)估“隕石坑”結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)際濺射產(chǎn)額的影響。

根據(jù)圖像可知,“隕石坑”結(jié)構(gòu)半徑范圍在10μm級(jí)別,而濺射影響區(qū)域在100?(1?=10^–10m),因此“隕石坑”結(jié)構(gòu)對(duì)于金屬絲的濺射行為可視為宏觀幾何結(jié)構(gòu),隕石坑壁按照斜平面進(jìn)行計(jì)算。建立“隕石坑”形貌模型,近似高斯分布:

耦合“隕石坑”結(jié)構(gòu)形貌模型,集合離子濺射參數(shù)計(jì)算模型,依據(jù)2.3節(jié)中所述金屬絲截面隨時(shí)間變化計(jì)算模型,以銫元素入射為例,計(jì)算得到表1所述入射條件下,金屬絲截面隨離子入射時(shí)間變化的結(jié)果,如圖6所示。

根據(jù)圖6結(jié)果,金屬絲在入射離子總量達(dá)到約3.70×10²¹時(shí),厚度方向上沿離子入射方向最薄處已降低至0。

05mm以下,此時(shí)材料由于離子轟擊所承受的拉力已超過(guò)材料能承受的拉力極限,因此認(rèn)為材料已失效;為驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,對(duì)在相同入射條件下,離子入射總量約為2.27×10²¹時(shí)的金屬絲截面進(jìn)行掃描電子顯微鏡表面形貌測(cè)試,試驗(yàn)測(cè)得金屬絲截面形貌及尺寸如圖7所示。

根據(jù)圖7中結(jié)果,將理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量相比,寬度方向上誤差為1.84%,厚度方向上誤差約為1。

75%,與理論值相比誤差均<10%,由此驗(yàn)證了離子濺射為影響金屬絲壽命的主要因素,同時(shí)驗(yàn)證了理論計(jì)算模型的準(zhǔn)確性及適用性,因此后續(xù)采用分子動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行不同材料的離子濺射過(guò)程的模擬,尋找耐濺射材料,優(yōu)化金屬絲服役壽命。

3.3金屬絲結(jié)構(gòu)壽命提升

根據(jù)3.2節(jié)中分析,驗(yàn)證了離子濺射為影響金屬靶材壽命的主要因素,在不改變金屬絲初始直徑條件下,提升金屬靶材壽命的主要方式為金屬絲材料優(yōu)化,選取濺射產(chǎn)額較小、晶體結(jié)構(gòu)松散、密度較高的材料,可提升金屬絲壽命。經(jīng)過(guò)多種元素計(jì)算,評(píng)估Ni-Ti合金為面心立方晶體,整體晶體結(jié)構(gòu)較為松散,晶格常數(shù)小于625合金,吸收離子動(dòng)能能力較強(qiáng),不同入射角條件下在離子持續(xù)入射后Ni-Ti合金與625合金相比的濺射產(chǎn)額如圖8所示。

根據(jù)圖8所示的結(jié)果,相對(duì)625合金及316L不銹鋼,不同入射角度下Ni-Ti合金的濺射產(chǎn)額均更小。在Ni-Ti合金材質(zhì)下,計(jì)算得到與3.2節(jié)中相同入射條件下,金屬絲截面隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示。

根據(jù)圖中結(jié)果,金屬絲材質(zhì)為Ni-Ti合金時(shí),金屬絲失效的入射離子總量可由3.70×1021提升至5.14×10²¹,在離子束流密度不變的情況下金屬絲壽命可提升約39%,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,在后續(xù)選材過(guò)程中可選取Ni-Ti合金材料,以此降低材料濺射產(chǎn)額,延長(zhǎng)金屬絲使用壽命。

4、結(jié)論

本文基于載能離子長(zhǎng)時(shí)間收集沉積過(guò)程中,離子濺射過(guò)程影響陰極金屬絲服役性能及使用壽命的問(wèn)題,建立了基于分子動(dòng)力學(xué)及Langevin控溫模型的離子濺射參數(shù)計(jì)算模型及金屬絲壽命計(jì)算模型,并基于模型提出了金屬絲壽命優(yōu)化方式,主要結(jié)論如下。

1)基于分子動(dòng)力學(xué)模型及Langevin控溫模型,利用LAMMPS程序進(jìn)行了靶材初始條件及離子持續(xù)高通量入射條件下下的靶材原子尺度建模,建立了載能重金屬離子入射復(fù)雜混合物合金靶材的離子濺射參數(shù)計(jì)算模型。

2)基于本文建立了濺射產(chǎn)額計(jì)算模型計(jì)算發(fā)現(xiàn),區(qū)別于SRIM軟件計(jì)算得到的相同入射條件下,625合金與316L不銹鋼濺射產(chǎn)額相近結(jié)果,分子動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算得到的625合金的濺射產(chǎn)額明顯低于316L不銹鋼,這是由于625合金原子間約束能力較弱,入射能量在合金中耗散較快,傳遞至表面原子的能量較小,使得同一入射角度下,625合金,濺射產(chǎn)額較小,顯著小于不銹鋼的濺射產(chǎn)額。

3)計(jì)算得到了在給定入射條件下金屬絲截面隨試驗(yàn)時(shí)間變化的曲線,預(yù)測(cè)了金屬絲失效時(shí)間,并進(jìn)行了相同入射條件下金屬絲截面與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,金屬絲寬度及厚度方向上計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏差均小于10%,驗(yàn)證了理論計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和適用性,對(duì)預(yù)測(cè)不同入射條件下金屬絲使用壽命并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)具有重要意義。

4)基于本文建立的理論模型,對(duì)金屬絲壽命優(yōu)化提升進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明將金屬絲材質(zhì)由625合金優(yōu)化為Ni-Ti合金,金屬絲壽命可實(shí)現(xiàn)顯著提升,提升比例約39%。

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