Atomistische Simulation der Selbstorganisation bei der Ionenstrahlerosion

Während Ionenbestrahlung von Festkörpern kann es zur Bildung von Oberflächenstrukturen wie Ripples und Nanodots kommen. Diese Bildung wird mit Computerexperimenten untersucht werden. Dabei wird eine zweistufige Simulationsmethode eingesetzt, die im ersten Schritt die Kollisionskaskade eines Ioneneinschlages mit Binary Collision Approximation berechnet und im zweiten Schritt die Defektkinetik mittels kinetic Monte Carlo simuliert. Diese beiden Stufen werden für jeden Ioneneinschlag wiederholt. Dabei ergeben sich zwei mögliche Ansätze, die Simulationsergebnisse zu untersuchen.
Zum einen kann überprüft werden, inwieweit die simulierte Oberfläche verfügbaren Kontinuumsmodellen für die Musterbildung genügt. Der Vorteil der Simulation gegenüber dem Experiment besteht darin, dass man die volle zeitliche Entwicklung der Oberfläche anstelle einzelner Momentaufnahmen bekommt. Damit können unmittelbar bestehende Theorien bewerten werden.
Zum anderen kann man während der Simulation die Bewegung jedes einzelnen Atoms verfolgen. Dadurch kann man die Wahrscheinlichkeiten registrieren, mit denen die Atome in die unterschiedlichen Richtungen springen. Daraus kann der Massestrom und dessen Divergenz berechnet werden. Da die Divergenz des Massestroms nach dem zweiten Fick'schen Gesetz der Diffusion proportional zur zeitlichen Änderung der Konzentration und damit zur zeitlichen Änderung der Oberflächenhöhe ist, kann man damit Aussagen über die treibenden Mechanismen bei der Musterbildung treffen.
In diesem Vortrag sollen beide Ansätze vorgestellt und anhand eines Beispiels erläutert werden.

During ion beam irradition it is possible to observe the formation of surface structures like ripples and nanodots. This formation is examined by computer experiments. Therefore, a two step simulation method is used which calculates the collision cascade of one ion impact by binary collision approximation in a first step followed by the simulation of the defect kinetic via kinetic Monte Carlo. These two steps are repeated for each ion impact. There are two task possible to analyse the simulation results.
On the one hand, one can examine how good the simulated surface satisfies available continuum models of pattern formation. As an advantage of the simulation over experiments one can get the full temporal evolution of the surface instead of only snapshots. Therefore, existing theories can be evaluated immediately.
On the other hand, the movement of every single atom can be tracked so that one can register the probabilities of jumps of an atom into different directions. With this jump rates, the mass current and its divergences can be calculated. As the divergence of the mass current is proportional to the temporal change of surface height - this is indirectly implied by Fick's law of diffusion - statements about the driving mechanisms of pattern formation are possible.
Here, both tasks are presented and explained with the help of an example.