1、引(yin)言
离(li)子(zi)溅(jian)射(she)是指(zhi)载能离(li)子轰(hong)击(ji)固(gu)体(ti)表(biao)面(mian),打(da)出离子(zi)和中性原子(zi)的现象[1]。离(li)子溅射是(shi)离子与(yu)固体相(xiang)互(hu)作用(yong)过(guo)程中的(de)重要物(wu)理过(guo)程(cheng)之(zhi)一,在(zai)聚变反应(ying)堆(dui)的壁效(xiao)应(ying)[2]、高(gao)能(neng)离(li)子(zi)推进(jin)器(qi)、磁控(kong)溅(jian)射镀膜(mo)[3,4]、溅(jian)射(she)离子(zi)泵、表(biao)面(mian)分析、高能离子的收(shou)集(ji)沉积[5,6]等(deng)领(ling)域均(jun)具有(you)较(jiao)高的应(ying)用价值。在(zai)高(gao)能(neng)离子(zi)收集(ji)沉(chen)积(ji)过程,常用的(de)离(li)子加(jia)速结(jie)构包(bao)含(han)金(jin)属丝(si)状(zhuang)结(jie)构(gou),其(qi)性(xing)能及(ji)使(shi)用(yong)寿命是(shi)影(ying)响试验运行(xing)稳(wen)定(ding)性(xing)的重要因(yin)素(su),离(li)子的溅(jian)射过(guo)程(cheng)会(hui)造(zao)成金(jin)属(shu)丝(si)的表面(mian)损(sun)失(shi),是影(ying)响(xiang)服(fu)役性(xing)能(neng)及使用(yong)寿(shou)命(ming)的主(zhu)要(yao)因(yin)素;因此,对(dui)离子(zi)溅射过程进(jin)行模拟(ni),研究不(bu)同合金(jin)靶材条(tiao)件下的(de)离(li)子(zi)溅(jian)射(she)产额(e),并基于(yu)离(li)子溅射过(guo)程对金属丝(si)寿(shou)命进行分(fen)析(xi),延(yan)长(zhang)金属丝(si)结(jie)构使(shi)用(yong)寿命具(ju)有(you)重(zhong)要意义。
目前模拟离子溅(jian)射(she)过程(cheng)中(zhong)主(zhu)要有蒙特(te)卡(ka)罗(luo)方(fang)法(fa)(MonteCarlo,MC)以及分(fen)子(zi)动(dong)力(li)学(xue)方法(moleculardynamics,MD)。常(chang)用(yong)的基于蒙(meng)特(te)卡罗(luo)方(fang)法进(jin)行离子溅射(she)过(guo)程模(mo)拟的程(cheng)序为SRIM
(thestoppingandrangofionsinmatter)程(cheng)序(xu)[7],该(gai)程(cheng)序(xu)基于1969年Sigmund建(jian)立的线(xian)性(xing)级联(lian)碰(peng)撞(zhuang)理(li)论[8],程序(xu)中(zhong)同(tong)时(shi)包含(han)了大(da)量(liang)的(de)实验(yan)修正数据(ju),对于离子入(ru)射单(dan)质靶材工(gong)况适用性强[9,10],由于SRIM在(zai)程序计算(suan)过(guo)程(cheng)中(zhong)认为固体靶为(wei)非(fei)晶(jing)靶,入(ru)射离(li)子与(yu)靶材(cai)中原子(zi)的(de)相(xiang)互作用(yong)视(shi)为二(er)体碰(peng)撞(zhuang)过程,未考(kao)虑(lv)合(he)金晶(jing)体(ti)结构和多体相互作用问题,SRIM程(cheng)序的计(ji)算结果可能(neng)存(cun)在(zai)较(jiao)大(da)偏差。
分(fen)子(zi)动(dong)力(li)学(xue)方(fang)法是按照(zhao)该体系(xi)内部的(de)动力学规(gui)律来确定位置和速(su)度随(sui)时间演(yan)化(hua)的一种(zhong)模拟(ni)方(fang)法,通(tong)过(guo)跟(gen)踪(zong)系(xi)统中(zhong)每(mei)个(ge)粒(li)子的(de)个体运(yun)动(dong),给(gei)出(chu)微(wei)观量(liang)(粒(li)子坐(zuo)标(biao)、速(su)度(du))与宏观可观测量(温(wen)度、压力、比(bi)热、弹性模量(liang)等)的(de)关系[11–15],在(zai)计(ji)算过(guo)程(cheng)中可以充分考虑(lv)合(he)金(jin)基底(di)中原子(zi)相(xiang)互(hu)作用势(shi),和(he)离(li)子(zi)与合(he)金表(biao)面多体相互作(zuo)用(yong)[16],更(geng)适用(yong)于(yu)高(gao)能(neng)离子(zi)入射(she)合(he)金靶材的离(li)子溅射过(guo)程(cheng)的(de)计算(suan)。
本(ben)文基(ji)于分(fen)子(zi)动(dong)力(li)学(xue)方(fang)法,利(li)用LAMMPS(large-scaleatomic/molecularmassivelyparallelsimulator)程(cheng)序[17,18]对(dui)基底(di)材料(liao)进(jin)行(xing)原子(zi)晶体尺度建模,建立重离(li)子(zi)入射合(he)金靶材(cai)初始(shi)状态及持续后入(ru)射靶材表(biao)面(mian)混乱状(zhuang)态下的离子(zi)溅射(she)参(can)数计算(suan)模型;在此基(ji)础(chu)上(shang)研究不(bu)同合(he)金不(bu)同离(li)子(zi)入(ru)射(she)角条件(jian)下的溅射产额(e)及金(jin)属(shu)丝(si)寿命(ming)与(yu)试(shi)验(yan)结(jie)果进(jin)行了对(dui)比(bi),并基(ji)于(yu)理(li)论模型(xing)找到了一种有利(li)于(yu)金属丝(si)服役寿(shou)命(ming)提升(sheng)的材(cai)料(liao)。
2、物(wu)理(li)模(mo)型及(ji)模拟方法
当载能(neng)离子入射(she)合(he)金(jin)靶(ba)材时(shi),会不(bu)断与合金(jin)靶(ba)材中原子(zi)发(fa)生(sheng)碰(peng)撞并(bing)损失(shi)能(neng)量(liang),同时(shi)靶(ba)材(cai)中的原(yuan)子(zi)在碰撞(zhuang)中获(huo)得的能(neng)量(liang)超过其(qi)位移能(neng)后(hou)脱(tuo)离(li)原(yuan)来的(de)晶(jing)格位置,并与其(qi)他原(yuan)子(zi)发生碰(peng)撞形(xing)成一系列(lie)反冲(chong)级(ji)联(lian)碰(peng)撞,当(dang)靶(ba)材表面的(de)原子(zi)获得的(de)能量超过靶(ba)材表(biao)面(mian)的束(shu)缚(fu)能(neng)后(hou)脱(tuo)离(li)靶(ba)材表(biao)面(mian)形(xing)成(cheng)溅(jian)射(she)出(chu)射(she)原(yuan)子(zi)。在离(li)子溅(jian)射过程中,离(li)子(zi)溅射产额(e)定义(yi)为(wei)每(mei)个(ge)入(ru)射(she)离子(zi)引起(qi)靶(ba)材表(biao)面(mian)溅射出射(she)原(yuan)子(zi)的(de)数量(liang),溅射(she)产额(e)与(yu)入(ru)射(she)离(li)子(zi)的(de)种类(lei)、能量(liang)、靶(ba)材种类等多种因素(su)相(xiang)关(guan)。
2.1离子(zi)溅射(she)产额理论(lun)模型
在(zai)载能离子轰(hong)击合金(jin)靶材的LAMMPS建模(mo)模拟过(guo)程(cheng)中(zhong),选择具有周(zhou)期(qi)性(xing)边(bian)界(jie)、表(biao)面(mian)取(qu)向(xiang)为(wei)(111)的单(dan)个(ge)晶(jing)胞作为计(ji)算(suan)体系(xi)[19],基(ji)体(ti)温度(du)选择(ze)为900K,在计算过(guo)程中(zhong)模(mo)型域(yu)大小的(de)控(kong)制(zhi)、原(yuan)子(zi)间相(xiang)互作用(yong)势(shi)的选(xuan)取是影(ying)响(xiang)模型(xing)复杂度(du)及(ji)模(mo)型计算(suan)准(zhun)确(que)性(xing)的(de)重(zhong)要因素。
2.1.1模型域和原子间(jian)相(xiang)互(hu)作用力(li)
由(you)于离子(zi)溅射(she)过程(cheng)能(neng)量作用区(qu)域大(da),入(ru)射(she)离(li)子(zi)在(zai)靶(ba)材(cai)内发生级联碰(peng)撞(zhuang)的(de)过(guo)程中,入射(she)离子能量由(you)晶(jing)格(ge)间金属(shu)键(jian)进(jin)行(xing)高(gao)效(xiao)传(chuan)递(di),由(you)碰撞(zhuang)引起的能量传递(di)距离(li)较(jiao)远(yuan),而实(shi)际上(shang)影(ying)响碰撞溅射(she)的(de)较(jiao)高(gao)能(neng)量(liang)传(chuan)递(di)范(fan)围很小。对于(yu)溅射(she)中(zhong)心(xin)区域(yu)外部(bu)的原(yuan)子层(ceng),同(tong)时具(ju)备(bei)吸(xi)收能量与反射(she)能(neng)量的(de)能(neng)力(li),为(wei)了(le)充分(fen)反应(ying)靶(ba)材溅射发展过(guo)程的同时(shi)降低单(dan)原(yuan)子(zi)计(ji)算时间(jian),提高计算(suan)效(xiao)率,选取较(jiao)小(xiao)的靶材表(biao)面(mian)高(gao)能碰撞(zhuang)区(qu)域(yu)(24×24×18(lattice))作为(wei)中心碰撞区域(yu)内(nei)层(ceng)原子进(jin)行模(mo)拟。同(tong)时利(li)用(yong)Langevin控温法(fa)[20]在(zai)碰撞(zhuang)区域外包(bao)裹(guo)一层额(e)外(wai)的(de)能(neng)量吸(xi)收反射(she)原子层,以此(ci)替代(dai)大尺(chi)度模(mo)型中高(gao)能(neng)碰撞区(qu)域(yu)外的(de)原子的方(fang)法(fa)。图(tu)1为(wei)Langevin控温(wen)法模(mo)型域(yu)划(hua)分(fen)示意(yi)图。
在(zai)分子动(dong)力(li)学(xue)模拟过程中(zhong),原子(zi)和分(fen)子的轨迹(ji)是通(tong)过(guo)数(shu)值(zhi)求解(jie)粒(li)子(zi)相(xiang)互作用(yong)系统(tong)的(de)牛(niu)顿(dun)运(yun)动方程来(lai)确定,其中(zhong)粒(li)子之间(jian)的力(li)Fc及势(shi)能通常(chang)是(shi)通(tong)过原子间(jian)势(shi)或分(fen)子力学力场(chang)进行计算(suan),在(zai)内层(ceng)高(gao)能原子碰撞(zhuang)区,常用(yong)的(de)描(miao)述原(yuan)子间相互(hu)作用(yong)势(shi)有LJ(Lennard-Jones)势(shi)[21]、EAM(EmbeddedAtomMethod)势(shi)[22]、ZBL(ZieglerBiersackLittmark)势[23]等,其(qi)中LJ势通常用于(yu)描述二体原(yuan)子(zi)之(zhi)间(jian)的(de)相互作用(yong),EAM势用于描述(shu)金属(shu)原(yuan)子(zi)之间(jian)的(de)相互(hu)作(zuo)用,ZBL势(shi)更(geng)适(shi)用(yong)于金(jin)属原子(zi)的近距(ju)离(li)相互(hu)作用(yong)[23,24],选(xuan)择(ze)ZBL势做(zuo)为原子间相互作(zuo)用势函数。
根据Langevin控(kong)温(wen)模(mo)型公式(shi),在(zai)外层(ceng)Langvein控(kong)温(wen)层,在原有原(yuan)子间作用力(li)Fc基础(chu)上(shang)额(e)外增加两(liang)项阻(zu)尼力Ff与(yu)Fr,以此模拟无限(xian)大(da)原子模(mo)型(xing)对(dui)控(kong)温层内(nei)部区域(yu)的应(ying)力(li)吸收与(yu)反射(she):
式(shi)中(zhong),F为控(kong)温(wen)区(qu)原(yuan)子所(suo)受合(he)力(li),eV/Å;Fc为原子之(zhi)间(jian)基于(yu)力场作(zuo)用(yong)的(de)保守力(li),eV/Å;Ff为与粒子速度(du)成正比(bi)的摩擦(ca)阻(zu)力(li),eV/Å;Fr为(wei)温(wen)度T下原(yuan)子与其他粒(li)子随(sui)机碰撞所产生的(de)力,eV/Å;m为(wei)原(yuan)子质量(liang),g;v为(wei)原(yuan)子(zi)速度,Å/ps;α为(wei)阻(zu)尼系数(shu),ps;kB为玻(bo)尔兹曼常数(shu),1。380649×10–23J/K;T为(wei)原(yuan)子(zi)温度,K;dt为(wei)计(ji)算时间(jian)步长(zhang),ps。
同时(shi)建(jian)立(li)近似(shi)等(deng)价于(yu)无穷(qiong)大(da)基底(40×40×24(lattice))的(de)模(mo)型及确定的(de)主要碰(peng)撞(zhuang)区域的原子模型,分(fen)别选(xuan)取(qu)不同阻(zu)尼系数(shu),对(dui)其进(jin)行(xing)相(xiang)同入(ru)射(she)位(wei)置(zhi)、相同入(ru)射(she)能(neng)量(liang)和(he)相(xiang)同入(ru)射角(jiao)度(du)的(de)溅射(she)模拟,监控(kong)在原子入(ru)射过(guo)程中(zhong)的平均(jun)原子能量(liang)变化(hua),当计(ji)算(suan)模型中碰(peng)撞原子(zi)能(neng)量变(bian)化与无(wu)穷(qiong)大(da)基板中碰撞(zhuang)原子能(neng)量(liang)变(bian)化(hua)相同(tong)或(huo)相近时,即认为此(ci)时计算(suan)模型与(yu)无穷(qiong)大基(ji)板等(deng)价,当(dang)选(xuan)取(qu)的阻(zu)尼(ni)系(xi)数使得内(nei)外层碰撞(zhuang)区域(yu)的原子(zi)能量(liang)波(bo)动,与(yu)近似无穷(qiong)大基(ji)底条(tiao)件下的原子(zi)能(neng)量波(bo)动(dong)在(zai)各(ge)时(shi)间步长(zhang)内的偏(pian)差(cha)均≤10%时,此(ci)时(shi)的(de)阻尼(ni)系(xi)数α值为(wei)所求。
2.2持续入(ru)射条(tiao)件下的(de)离子(zi)溅(jian)射(she)模型(xing)
由(you)于(yu)离子(zi)引(yin)出(chu)过(guo)程(cheng)持续时(shi)间较(jiao)长(zhang),持(chi)续(xu)入射一(yi)段时间(jian)后,靶(ba)材(cai)表层(ceng)含有大量的入射(she)离(li)子元(yuan)素(su),为提高(gao)靶材由初始(shi)入(ru)射状态至稳定初(chu)始入射状(zhuang)态(tai)的(de)计(ji)算(suan)效(xiao)率,对持续(xu)入(ru)射状态(tai)靶(ba)材计(ji)算(suan)模(mo)型(xing)进行简(jian)化(hua),借助蒙(meng)特(te)卡罗(luo)方法,首先(xian)利(li)用(yong)SRIM程序计(ji)算入(ru)射离子元(yuan)素(su)溅射产(chan)额(e)为(wei)1时(shi)稳(wen)态(tai)条(tiao)件下(xia),靶材(cai)内(nei)部入射元素(su)含(han)量(liang)和分布随深(shen)度变(bian)化的(de)概率(lv)密度函数。
同时(shi),靶(ba)材经(jing)过离子入射(she)后(hou),表(biao)层(ceng)原(yuan)子的(de)晶格(ge)结(jie)构被(bei)破坏(huai),在经历足(zu)够多次的溅射后(hou),模(mo)拟区域(yu)的原(yuan)子(zi)结(jie)构逐渐(jian)变(bian)得(de)混(hun)乱,最终(zhong)达到稳(wen)定的混乱状(zhuang)态,此(ci)时即为(wei)持续(xu)入射(she)状(zhuang)态下(xia)靶材不(bu)掺(can)杂离子(zi)的原(yuan)子结构(gou),以(yi)此(ci)原子结构分(fen)布(bu)作(zuo)为(wei)基础,按(an)照入射元(yuan)素随深度变(bian)化(hua)的概(gai)率密度(du)分(fen)布函(han)数将(jiang)不同(tong)深(shen)度(du)原有原(yuan)子替换为入(ru)射元(yuan)素原(yuan)子并(bing)进(jin)行充(chong)分(fen)弛(chi)豫,即可得(de)到(dao)近(jin)似(shi)稳(wen)态(tai)溅(jian)射(she)的(de)靶(ba)材(cai)原子(zi)模型,基于(yu)此模(mo)型进行稳态(tai)条(tiao)件下(xia)的(de)溅射参(can)数计算。
2.3金(jin)属(shu)丝寿命计算模型(xing)
在高(gao)能(neng)重(zhong)离(li)子进行加速、收集(ji)的过程(cheng)中,常见用于离子(zi)加(jia)速的一(yi)种(zhong)阴(yin)极结构为(wei)圆(yuan)形(xing)丝(si)状结构(gou),建立(li)金(jin)属丝(si)服役寿命计算模(mo)型(xing),对金(jin)属丝使(shi)用(yong)寿(shou)命(ming)进行评(ping)估(gu)。
在(zai)一定的(de)离(li)子(zi)入射强度(du)及(ji)入射方向下(xia),对于圆形金属丝(si),各处的(de)入(ru)射仰角(离(li)子(zi)入(ru)射(she)方(fang)向与(yu)入(ru)射平面法(fa)线(xian)夹角(jiao))均不(bu)相(xiang)同,将圆形(xing)金属丝简(jian)化(hua)为(wei)不(bu)同等分区(qu)域(yu)内(nei)入射仰角相同的(de)多(duo)边(bian)形计算。金属丝(si)的质(zhi)量(liang)及表面损失(shi)为(wei)离(li)子(zi)溅射(she)损(sun)失,单(dan)位(wei)时间(jian)各(ge)等(deng)分(fen)区域(yu)内(nei)截面(mian)变(bian)化如(ru)下:
式(shi)中(zhong),为(wei)入(ru)射离子通量(liang)(s-1.cm-2);为(wei)入(ru)射原(yuan)子(zi)相对摩(mo)尔(er)质量(liang);为靶材(cai)所(suo)含(han)元素的溅(jian)射产额(e),为(wei)靶材(cai)所含(han)元(yuan)素的相对(dui)摩(mo)尔(er)质量(liang),为靶材(cai)密度。
通过(guo)计算(suan)不(bu)同(tong)离(li)子(zi)入射(she)总量下(xia),各等(deng)分区域(yu)截(jie)面(mian)变(bian)化(hua)情(qing)况,得到金(jin)属(shu)丝(si)截(jie)面随(sui)离子入(ru)射总量(liang)的(de)变(bian)化(hua)情况(kuang),进(jin)而(er)获得金属丝(si)寿(shou)命。
3、结(jie)果及讨论
3.1不同(tong)合(he)金的(de)溅射产额
3.1.1初始(shi)入射状(zhuang)态下(xia)的溅(jian)射产额(e)
以铯元素(su)为(wei)例,计算(suan)了(le)入射离(li)子在能(neng)量(liang)为(wei)9keV入(ru)射,不同(tong)入射(she)角,316L不(bu)锈钢(gang)、625合金(jin)作为基底材(cai)料的条(tiao)件(jian)下(xia)的溅(jian)射产额(e)曲线及与(yu)SRIM计算(suan)结(jie)果的对(dui)比(bi),结(jie)果(guo)如(ru)图(tu)2所(suo)示(shi)。
由(you)图2结果(guo)可(ke)知(zhi),当基底材(cai)料(liao)为316L不(bu)锈钢(gang)时,分(fen)子(zi)动力(li)学计算(suan)的(de)溅射产额(e)结果约为(wei)SRIM计(ji)算(suan)的2倍;当基(ji)底(di)材(cai)料为(wei)625合(he)金时(shi),分(fen)子动力(li)学计算(suan)的溅(jian)射(she)产额结(jie)果与(yu)SRIM结果相(xiang)近。对比(bi)结果表(biao)明,SRIM软件(jian)未(wei)在计算(suan)中(zhong)考虑晶(jing)格(ge)结(jie)构(gou)对溅(jian)射过(guo)程的影(ying)响,而该影响(xiang)在(zai)溅(jian)射产(chan)额(e)计(ji)算(suan)中不(bu)可(ke)忽略(lve),同(tong)时分(fen)子(zi)动(dong)力(li)学(xue)计算结(jie)果(guo)与(yu)试验(yan)得到的(de)金(jin)属丝材质为316L不(bu)锈钢(gang)时(shi)的(de)寿命低于(yu)625合(he)金(jin)结(jie)果(guo)相一(yi)致,因此后(hou)续寿命(ming)计算(suan)均需(xu)要以(yi)分子(zi)动力(li)学计(ji)算(suan)结果(guo)为基(ji)准(zhun),SRIM计(ji)算(suan)结(jie)果(guo)作(zuo)为(wei)参(can)考(kao)。
3.1.2持(chi)续(xu)入(ru)射(she)条件下的(de)溅(jian)射(she)产额
根据持(chi)续(xu)入射条件(jian)下(xia)的(de)原子模(mo)型,以(yi)铯(se)元(yuan)素在(zai)在(zai)能量(liang)为9keV入(ru)射(she)316L不锈(xiu)钢(gang)为例,得到(dao)持续入(ru)射条件下的(de)不(bu)锈(xiu)钢(gang)内(nei)部(bu)结构(图3(b))。
将持续入射(she)后(hou)的原子(zi)模(mo)型及(ji)原子间相互作(zuo)用势函数(shu)代(dai)入(ru)LAMMPS的(de)计算(suan)中(zhong)得到(dao),不同入射(she)仰角,316L不锈钢、625合(he)金作为(wei)基底(di)材(cai)料(liao)持续入(ru)射的(de)条(tiao)件下的溅射产额(e)曲(qu)线,结果如图(tu)4所(suo)示。
图4结(jie)果(guo)表明,在初(chu)始(shi)状态(tai)下(xia)合(he)金(jin)靶材(cai)具(ju)有完整的(de)晶格结构,相邻晶格(ge)原(yuan)子间(jian)在溅(jian)射条件(jian)下能(neng)量(liang)传(chuan)递指向(xiang)性(xing)更高,有更(geng)大的能(neng)量传递至靶材表(biao)面,因此(ci)相(xiang)比SRIM计(ji)算结(jie)果,初始(shi)状(zhuang)态(tai)靶材分子(zi)动力学计算(suan)所得(de)溅(jian)射(she)产额更大。由(you)于经(jing)历(li)长(zhang)时间入射后,合(he)金(jin)金(jin)属表(biao)层晶(jing)格(ge)被(bei)破(po)坏,表(biao)层(ceng)原子(zi)排(pai)列趋于(yu)混(hun)乱,因此持续(xu)入射后混乱(luan)状(zhuang)态下的(de)溅(jian)射(she)产额小(xiao)于初始状态(tai)溅射(she)产(chan)额(e)。由(you)于在(zai)625合金中含(han)有8%—10%的(de)钼元素,部(bu)分(fen)钼元素(su)在(zai)合(he)金基(ji)体(ti)中(zhong)以(yi)固溶的形式(shi)存(cun)在(zai),在强化了(le)合(he)金(jin)的(de)同(tong)时(shi),给625合(he)金带(dai)来(lai)了(le)一(yi)部(bu)分的(de)晶格畸(ji)变(bian),导致(zhi)部分晶格(ge)不完整(zheng),使得入(ru)射(she)离子的(de)能量(liang)在传递(di)的过程中更(geng)为(wei)分(fen)散,原(yuan)子(zi)间的(de)约(yue)束能(neng)力较弱,因此入射(she)能(neng)量在(zai)合金中的耗(hao)散较(jiao)快(kuai),传(chuan)递至表面(mian)原(yuan)子(zi)的(de)能量(liang)较小,使(shi)得(de)溅射产额较小,明显(xian)低(di)于316L不锈钢(gang)的(de)溅(jian)射产额(e)。
3.2金(jin)属(shu)丝寿(shou)命预(yu)测与(yu)验(yan)证
为(wei)确定(ding)长时间(jian)入射(she)后(hou)的(de)金属(shu)丝表(biao)面形貌变化对(dui)离(li)子溅(jian)射(she)参数(shu)的(de)影响,对一块离(li)子长(zhang)时间(jian)持续(xu)入(ru)射后(hou)的(de)金(jin)属平板(ban)表(biao)面(mian)进(jin)行(xing)了(le)扫描电子(zi)显(xian)微(wei)镜(scanning electron microscope,SEM)表面形貌(mao)测(ce)试(shi),根据电镜(jing)对(dui)其(qi)表(biao)面的观测结(jie)果(guo)可知(图(tu)5),宏(hong)观上(shang)平(ping)整的(de)平板表(biao)面(mian)并非(fei)光(guang)滑平(ping)面,经过离子入射,表(biao)面(mian)呈(cheng)现大小不一(yi)的(de)“陨(yun)石(shi)坑”状结构(gou)。该结构(gou)增加(jia)了部(bu)分粒(li)子(zi)的入(ru)射角度(du),提(ti)高(gao)了(le)实(shi)际(ji)溅(jian)射产额(e),因此(ci)需要(yao)评估(gu)“陨(yun)石坑”结(jie)构(gou)对(dui)实(shi)际溅(jian)射产额的(de)影(ying)响。
根据(ju)图(tu)像(xiang)可知,“陨石坑(keng)”结构(gou)半径(jing)范围(wei)在(zai)10μm级(ji)别,而(er)溅射(she)影响区域在(zai)100Å(1Å=10–10m),因此“陨石(shi)坑”结(jie)构对于金(jin)属(shu)丝(si)的(de)溅射(she)行(xing)为可(ke)视(shi)为(wei)宏(hong)观(guan)几何(he)结构(gou),陨石(shi)坑壁(bi)按照(zhao)斜平面进行计算。建立“陨(yun)石(shi)坑”形(xing)貌(mao)模(mo)型(xing),近似(shi)高斯分(fen)布:
耦合“陨(yun)石(shi)坑”结构形貌模型,集合离(li)子(zi)溅(jian)射参数计算模(mo)型,依据2.3节中所(suo)述金(jin)属(shu)丝(si)截面(mian)随时间(jian)变(bian)化(hua)计(ji)算(suan)模(mo)型,以(yi)铯元(yuan)素(su)入(ru)射(she)为例(li),计(ji)算得(de)到表1所述(shu)入(ru)射条件下,金属(shu)丝截(jie)面随(sui)离(li)子入射(she)时间变(bian)化的结果(guo),如图6所示。
根(gen)据图(tu)6结(jie)果,金属(shu)丝在入(ru)射离(li)子(zi)总(zong)量达到(dao)约(yue)3.70×1021时(shi),厚(hou)度方向(xiang)上(shang)沿离(li)子入射(she)方(fang)向(xiang)最(zui)薄处(chu)已降低(di)至0。
05mm以下(xia),此(ci)时(shi)材(cai)料(liao)由于(yu)离(li)子轰(hong)击(ji)所承(cheng)受的(de)拉力已超(chao)过(guo)材料能(neng)承受(shou)的(de)拉(la)力极限,因(yin)此(ci)认为材(cai)料(liao)已(yi)失效(xiao);为验(yan)证(zheng)理论(lun)计算结果的准确(que)性,对(dui)在(zai)相(xiang)同入射(she)条件下,离(li)子入(ru)射(she)总(zong)量(liang)约(yue)为(wei)2.27×1021时的金属(shu)丝(si)截面(mian)进(jin)行扫(sao)描电(dian)子(zi)显微镜(jing)表(biao)面形(xing)貌测试(shi),试(shi)验(yan)测得(de)金(jin)属(shu)丝(si)截面(mian)形貌及(ji)尺(chi)寸(cun)如(ru)图7所(suo)示(shi)。
根据(ju)图7中(zhong)结(jie)果,将(jiang)理(li)论(lun)计算(suan)结果(guo)与(yu)实(shi)际(ji)实验(yan)测量(liang)相比(bi),宽(kuan)度方(fang)向(xiang)上(shang)误差(cha)为(wei)1.84%,厚(hou)度(du)方(fang)向(xiang)上(shang)误(wu)差(cha)约(yue)为(wei)1。
75%,与(yu)理论(lun)值(zhi)相比误(wu)差均(jun)<10%,由此(ci)验证了离(li)子溅射(she)为(wei)影响金(jin)属丝(si)寿命(ming)的主要(yao)因素(su),同(tong)时(shi)验证(zheng)了理(li)论计算模(mo)型(xing)的(de)准(zhun)确性及适用(yong)性,因(yin)此(ci)后(hou)续(xu)采(cai)用分(fen)子(zi)动力学方(fang)法进(jin)行(xing)不同材料的离(li)子(zi)溅射(she)过(guo)程的模拟,寻(xun)找耐溅(jian)射材料(liao),优(you)化金(jin)属丝服(fu)役寿(shou)命。
3.3金(jin)属(shu)丝(si)结(jie)构寿(shou)命(ming)提(ti)升
根(gen)据(ju)3.2节(jie)中(zhong)分(fen)析(xi),验证(zheng)了离(li)子溅(jian)射(she)为(wei)影响金(jin)属(shu)靶材寿命的主要因(yin)素,在(zai)不(bu)改(gai)变(bian)金属(shu)丝(si)初始直(zhi)径条(tiao)件下(xia),提(ti)升(sheng)金属(shu)靶材寿命的主要方式(shi)为金属(shu)丝(si)材料(liao)优(you)化,选(xuan)取溅射产(chan)额(e)较(jiao)小、晶(jing)体结构松散、密(mi)度较(jiao)高的材料,可提升金属(shu)丝寿(shou)命。经(jing)过(guo)多种(zhong)元(yuan)素计(ji)算(suan),评估Ni-Ti合金(jin)为(wei)面心立方(fang)晶体,整(zheng)体晶体(ti)结构(gou)较为松散(san),晶(jing)格(ge)常(chang)数(shu)小(xiao)于(yu)625合(he)金,吸(xi)收(shou)离子(zi)动能(neng)能力(li)较(jiao)强,不(bu)同(tong)入射(she)角条件下(xia)在(zai)离子持续(xu)入射(she)后Ni-Ti合金与(yu)625合金(jin)相(xiang)比(bi)的(de)溅射产(chan)额(e)如(ru)图8所(suo)示。
根据图(tu)8所(suo)示的(de)结果(guo),相(xiang)对(dui)625合(he)金及316L不(bu)锈钢,不(bu)同入射(she)角(jiao)度下(xia)Ni-Ti合(he)金的(de)溅射(she)产(chan)额均(jun)更小。在Ni-Ti合(he)金(jin)材(cai)质下,计(ji)算(suan)得到(dao)与3.2节中(zhong)相同(tong)入射条(tiao)件下,金属(shu)丝截面随(sui)时间(jian)的变化(hua)曲(qu)线(xian)如(ru)图9所示(shi)。
根据图中(zhong)结(jie)果(guo),金属丝材(cai)质(zhi)为Ni-Ti合(he)金(jin)时(shi),金属(shu)丝失(shi)效的(de)入射离子(zi)总量可由(you)3.70×1021提(ti)升至5.14×1021,在(zai)离子(zi)束(shu)流(liu)密度不变的(de)情(qing)况(kuang)下金属丝寿(shou)命可(ke)提升(sheng)约(yue)39%,根据(ju)计(ji)算结(jie)果(guo),在后(hou)续选材过程(cheng)中(zhong)可(ke)选取(qu)Ni-Ti合金材料,以此(ci)降低(di)材料(liao)溅射(she)产(chan)额(e),延(yan)长(zhang)金(jin)属丝使(shi)用(yong)寿命。
4、结论(lun)
本文基(ji)于载能离子长(zhang)时间收(shou)集(ji)沉积(ji)过(guo)程中(zhong),离子(zi)溅(jian)射(she)过(guo)程影(ying)响阴极金属(shu)丝服(fu)役(yi)性能及(ji)使用(yong)寿(shou)命的(de)问(wen)题,建(jian)立了(le)基(ji)于分(fen)子(zi)动力(li)学(xue)及(ji)Langevin控(kong)温(wen)模(mo)型的(de)离(li)子(zi)溅(jian)射(she)参(can)数(shu)计算模型及金(jin)属(shu)丝寿命(ming)计(ji)算模(mo)型,并(bing)基于模型(xing)提出(chu)了金属(shu)丝寿(shou)命优化方(fang)式(shi),主要结论如下。
1)基(ji)于分(fen)子动力学模型(xing)及(ji)Langevin控温模型(xing),利用LAMMPS程(cheng)序(xu)进行了靶材(cai)初(chu)始(shi)条(tiao)件(jian)及离子持(chi)续高(gao)通(tong)量(liang)入射条(tiao)件(jian)下下的(de)靶材(cai)原子尺(chi)度建(jian)模,建立了载能重金属(shu)离子(zi)入射复杂(za)混合(he)物合金(jin)靶材的(de)离(li)子溅(jian)射参(can)数(shu)计(ji)算(suan)模(mo)型(xing)。
2)基(ji)于本(ben)文建立(li)了溅(jian)射产(chan)额计(ji)算(suan)模型计算(suan)发(fa)现(xian),区别于SRIM软(ruan)件(jian)计算(suan)得(de)到的相(xiang)同入射条件下,625合金与(yu)316L不(bu)锈(xiu)钢(gang)溅(jian)射(she)产额(e)相近(jin)结果,分子动(dong)力(li)学(xue)方法(fa)计算(suan)得到的625合金(jin)的(de)溅(jian)射(she)产额(e)明显低于316L不锈钢,这(zhe)是(shi)由于625合金(jin)原子(zi)间约束(shu)能(neng)力较弱(ruo),入(ru)射能(neng)量(liang)在合(he)金中耗散较(jiao)快,传递至表面(mian)原(yuan)子的能量(liang)较小,使得同一(yi)入射角(jiao)度(du)下,625合金,溅射产额(e)较(jiao)小(xiao),显著(zhu)小(xiao)于不锈(xiu)钢的(de)溅(jian)射(she)产额(e)。
3)计算(suan)得到了(le)在(zai)给(gei)定(ding)入射条(tiao)件下金属(shu)丝(si)截面(mian)随(sui)试(shi)验(yan)时间变化的曲线(xian),预测(ce)了金(jin)属(shu)丝失效时间(jian),并(bing)进(jin)行了(le)相同(tong)入(ru)射(she)条(tiao)件下金(jin)属丝(si)截(jie)面(mian)与试(shi)验(yan)结(jie)果(guo)的(de)对比(bi),金属(shu)丝宽(kuan)度(du)及(ji)厚(hou)度方向(xiang)上计(ji)算结果与试(shi)验结果偏(pian)差均小于(yu)10%,验证(zheng)了(le)理(li)论(lun)计算模型的(de)准(zhun)确(que)性(xing)和适用性(xing),对预测不同(tong)入(ru)射(she)条(tiao)件下(xia)金属(shu)丝使(shi)用(yong)寿(shou)命(ming)并进行(xing)优(you)化(hua)改进(jin)具(ju)有重要(yao)意义。
4)基(ji)于本文(wen)建(jian)立(li)的理论(lun)模(mo)型(xing),对(dui)金属丝寿命(ming)优化(hua)提升(sheng)进行计算,计算结(jie)果(guo)表(biao)明(ming)将金(jin)属丝(si)材(cai)质由(you)625合金(jin)优化(hua)为Ni-Ti合(he)金(jin),金属丝(si)寿(shou)命可实现显(xian)著(zhu)提(ti)升(sheng),提(ti)升比例约39%。
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