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ion range and damage in nanostructures
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Foto: Christian Borschel

3D Monte Carlo Simulation von ionenbestrahlten Nanostrukturen

iradina ist ein Computerprogramm zur Simulation der Ionenstrahlbestrahlung von Nanostrukturen. Iradina simuliert den Transport von energetischen Ionen durch Festkörper, indem es binäre Kollisionen berechnet und einen Monte-Carlo (MC) Transportalgorithmus verwendet. Hier sind einige der wichtigsten Eigenschaften von iradina:

3D Probengeometrie

Die Probengeometrie wird in iradina durch ein dreidimensionales rechteckiges Gitter definiert, das nahezu beliebige Zielgeometrien zulässt. Dies steht im Gegensatz zu anderen gängigen Programmen, wie z. B. TRIM, bei denen die Simulation auf flache Proben beschränkt ist. iradina wurde ursprünglich entwickelt, um die Verteilung von implantierten Ionen und von Implantationsdefekten in Halbleiternanodrähten zu berechnen.

Frei verfügbare Software

iradina ist eine frei verfügbare Software. Sie ist unter GPL lizensiert. Weiterhin ist der Code offen und das Programm darf individuellen Bedürfnissen angepasst werden, so lange die Regeln zu GPL eingehalten werden. iradina ist in ANSI C geschrieben und kann auf verschiedenen Plattformen verwendet werden (mit einer Einschränkung: IEEE 754-konforme Bitdarstellung von Single-Precision-Fließkommazahlen ist erforderlich - aber keine Sorge, die meisten heutigen Systeme sind konform). iradina wurde gründlich an Windows- und Linux-Systemen getestet.

Optimierung

iradina ist auf Geschwindigkeit optimiert worden. Tabellierte Werte werden bei jeder Kollision anstelle einer aufwendigen Berechnung der elektronischen Abbrems- und Streuprozesse verwendet. Die Werte bzw. Funktionen stammen zusammen mit einem sehr schnellen Indizierungsmechanismus  aus dem frei verfügbaren corteo Programm, das zur Berechnung von Ionenstrahlanalyse-Spektren eine vollständige binäre Kollisionssimulation der Ionentransportprozesse vollführt.

Flexibilität

iradina ist nicht interaktiv: es kann im Hintergrund ausgeführt werden, für andere Programme arbeiten und kann aus Skripts heraus ausgeführt werden, um z. B. eine große Anzahl verschiedener Simulationen automatisch auszuführen. Es existiert eine grafische Benutzeroberfläche (iraUI), die unabhängig von iradina ist. iraUI ist interaktiv und hilft dem Benutzer, indem es die Eingabedateien automatisch generiert, um iradina auszuführen. Darüber hinaus enthält iraUI Möglichkeiten zur Darstellung der Simulationsergebnisse.

Dies kann iradina leisten:

  • Die Simulation der Ionenbestrahlung von Festkörpern in einem Energiebereich von einigen eV bis hin zu mehreren MeV
  • Drei-dimensionale Probengeometrien mit bis zu einigen Millionen an rechteckigen Zellen
  • Ausgabe verschiedener Ergebnisse: Verteilung der implantierter Ionen, Recoils, und verschiedener Defekte, Ionenflugbahnen, Rückstoßbahnen, endgültige Ionenpositionen, Richtung und Energie der transmittierten Ionen, Verteilung der deponierten Energie
  • Berechnung der Zersteubungsraten (sputter yields) von Nanostrukturen, sowohl global als auch lokal pro Zelle

Dies kann iradina nicht leisten:

  • Die Simulation mit Elektronen, Quarks, Photonen, multi-atom Clustern, oder jegliche andere Partikel, die nicht Atome mit einer Massenzahl von 1 bis 92 sind.
  • Dynamische Simulationen mit einer sich ändernden Zielzusammensetzung der Probe. Hierfür existiert das TRI3DYN Programm.
  • Simulation der Deposition von Ionen mit geringen Energien unterhalb einiger 10 eV
  • Simulation von Gitterführungseffekten oder anderer Effekte, die durch eine Kristallinität der Probe hervorgerufen werden.
  • Simulation dynamischer Ausheil- und Temperatur-abhängiger Prozesse. Bei iradina gilt T=0 zu jedem Zeitpunkt.
  • ... und viele andere Dinge, die interessant sind ...

Warnung:

Die Ergebnisse von iradina wurden durch Experimente an verschiedenen Beispielen verifiziert (siehe unten). In einigen Fällen kann iradina jedoch sehr unrealistische Ergebnisse liefern, die nichts mit der physikalischen Realität zu tun haben! Sie sollten niemals den Ergebnissen eines physikalischen Simulationsprogrammes vertrauen! Bei der Verwendung von Ergebnissen aus Simulationen sollten Sie zumindest im Wesentlichen verstanden haben, wie die Simulation funktioniert, und sicherstellen, dass alle im Code enthaltenen Annahmen über das physikalische System erfüllt sind.

Der wissenschaftliche Hintergrund zum iradina Programm is hier zu finden.

Download

Es werden wesentlich zwei Dinge benötigt, um iradina zum Laufen zu bringen:

  1. Corteo Datenbank-Dateien
  2. Iradina Ausführungsdateien

Die Datenbank-Dateien können von der Corteo Webseite herruntergeladen werden, oder mittels corteo selbst erzeugt werden. Diese Datenbank-Dateien müssen in einem Unterordner "data" im iradina Hauptordner gespeichert werden. Weitere Details können im Handbuch nachgelesen werden.

Windows-Benutzer können die bereits kompilierten iradina Ausführungs-Dateien sich herunterladen. Für alle anderen Betriebssysteme ist es notwendig sich den originalen Code herunterzuladen und diesen dann zu kompilieren (der Code ist in C geschrieben und kann mit gcc kompiliert werden). Weitere Details können im Handbuch nachgelesen werden.

Iradina ist in C geschreiben und unter GNU general public license veröffentlicht worden. Weiterhin: alle Dateien, Handbücher und Dokumentationen sind in ENGLISCH.

Download:

https://sourceforge.net/projects/iradina/

Benutzeroberfläche:

iradina selbst hat keine Benutzeroberfläche, so dass es im Hintergrund für andere Programme arbeiten kann. Für Windows-Benutzer existiert jedoch eine grafische Benutzeroberfläche (.net Framework 3.5 erforderlich). Technisch ist es unabhängig von iradina und schließt iradina nicht ein. Es bereitet alle erforderlichen Eingabedateien auf, startet iradina und kann zur Analyse der von iradina generierten Ergebnisse verwendet werden. Die Benutzeroberfläche ist derzeit frei verfügbar, jedoch ist der Code nicht offen gelegt.

Die grafische Benutzeroberfläche iraUI kann hier herunter geladen werden [zip, 474 kb].

Anwendungsbeispiele

Dies ist eine Liste ausgewählter Projekte, bei denen iradina zur Simulation der Ionenstrahlbestrahlung verwendet wurde. Wenn Sie möchten, dass Ihre Anwendung auf dieser Seite erscheint, teilen Sie uns dies bitte mit.

Anwendung Beschreibung Publikation
Dotieren von Halbleiternanodrähten mit Ionenstrahlen

iradina-Simulationen wurden zur Bestimmung der Verteilung von implantierten Ionen und Defekten in Halbleiternanodrähten verwendet. Konventionelle Simulationen für Volumenproben konnten an dieser Stelle nicht verwendet werden, um genaue Ergebnisse zu erhalten.

  • A new route toward semiconductor nanospintronics: highly Mn-doped GaAs nanowires realized by ion-implantation under dynamic annealing conditions
    C. Borschel, M.E. Messing, M. T. Borgstrom, W. Paschoal Jr, J. Wallentin, S. Kumar, K. Mergenthaler, K. Deppert, C. M. Canali, H. Pettersson, L. Samuelson, and C. Ronning
    Nano Letters11, 3935 (2011)
  • Nano-X-ray Absorption Spectroscopy of Single Co Implanted ZnO Nanowires
    J. Segura-Ruiz, G. Martínez-Criado, M.H. Chu, S. Geburt, C. Ronning
    Nano Letters 11, 5322 (2011)
Zerstäubungseffekte beim Dotieren von Halbleiternanodrähten mit Ionenstrahlen

Eine überhöhte Zertäubungsrate wurde bei der Bestrahlung von Halbleiternanodrähten beobachtet und mit iradina Simulationen verglichen.

  • Enhanced sputtering and incorporation of Mn in implanted GaAs and ZnO nanowires
    A. Johannes, S. Noack, W. Paschoal Jr., S. Kumar, D. Jacobsson, H. Pettersson, L. Samuelson, K. A. Dick, G. Martinez-Criado, M. Burghammer
    J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 394003 (2014)
Ionstrahlinduzierte Verbiegung und Ausrichtung von Halbleiternanodrähten

Ionenstrahlinduziertes Verbiegen und Ausrichten von Nanodrähten kann durch inhomogene Defektverteilungen induziert werden. Um die Biegemechanismen zu verstehen, müssen detaillierte Defektverteilungen bekannt sein. Diese können mit iradina bestimmt werden.

  • Permanent bending and alignment of ZnO nanowires
    C. Borschel, S. Spindler, D. Lerose, A. Bochmann, S.H. Christiansen, S. Nietzsche, M. Oertel and C. Ronning
    Nanotechnology 22, 185307 (2011)
Profile bei der Ionenimplantation in MacPSi Solarzellen

Makroporöses Silizium (MacPSi) ist aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften ein vielversprechendes Material für Solarzellen-Absorberschichten. In dieser Arbeit wurde eine Ionenimplantation angewendet, um selektiv die äußeren Oberflächen einer freistehenden MacPSi-Schicht zu dotieren, um eine Solarzelle herzustellen. iradina wurde verwendet, um den Einfluss der Porengeometrie auf die Verteilung der implantierten Dotierstoffatome zu verstehen.

  • Thin crystalline macroporous silicon solar cells with ion implanted emitter
    Marco Ernst, Henning Schulte-Huxel, Raphael Niepelt, Sarah Kajari-Schröder, and Rolf Brendel
    Energy Procedia 38, 910 (2013)
Schaden und Profile bei der Bestrahlung von Bi Nanodrähten

Modifizierung der Struktur und Morphologie von Bi-Nanodrähten nach Bestrahlung mit Au Ionen und einer Energie von 400 keV und 1 MeV Au. Für niedrige Fluenzen treten leichte Aufrauhungen der ursprünglich glatten Oberfläche sowie beschädigten Zonen an den Drahtkanten auf. Nach einer Exposition mit mittleren Fluenzen sind Vertiefungen und eine "wellige" Morphologie zu sehen. Bei der größten getesteten Fluenzen weisen die dicksten Nanodrähte eine amorphisierte Struktur auf, während die dünneren Drähte zu großen Nanopartikeln auseinanderfallen. Die beobachteten morphologischen Modifikationen werden unter Berücksichtigung von Sputter- und strahlungsinduzierten Oberflächendiffusionseffekten diskutiert.

Bi nanowires modified by 400 keV and 1 MeV Au ions
D.B. Guerra, S. Müller, M.P. Oliveira, P.F.P. Fichtner, R.M. Papaleo
AOP Advances 8, 125103 (2018)
Verteilung der Defekte in bestrahlten Nanodraht-Solarzellen im Vergleich zu planaren Strukturen

Die Autoren demonstrieren, dass III-V-Nanodraht-Solarzellen im Vergleich zu planaren Solarzellen eine dramatisch bessere Strahlungsresistenz aufweisen, und zeigen dies für mehrere Zellgeometrien und -materialien, einschließlich GaAs und InP. Nanodrahtzellen weisen bei einer Bestrahlung mit 100–350 keV-Protonen und 1 MeV-Elektronen Schädigungsschwellen auf, die etwa 10–40-mal höher sind als bei planaren Solarzellen. Mithilfe von Iradina-Simulationen zeigen die Authoren, dass diese Verbesserung teilweise auf eine Verringerung der Defektdichte in den Drähten zurückzuführen ist, die sich aus ihren nanoskaligen Dimensionen ergibt.

Radiation Tolerant Nanowire Array Solar Cells
P. Espinet-Gonzalez, et al.
ACS Nano xx, xxxxxx (2019)

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