Использование информационных технологий в научных исследованиях по физике

Программный комплекс COMSOL Multiphysics является перспективным программным обеспечением для моделирования разнообразных физических процессов. Оно позволяет моделировать реальные процессы с помощью численных методов, в частности в области теплопередачи энергии при обработке поверхности высококонцентрированными потоками энергии. При построении геометрической модели, имитирующей реальный эксперимент, возможна оптимизация характеристик процессов. Постановка задачи включает выбор управляющих уравнений с последующей обработкой полученных результатов. В работе было осуществлено моделирование тепловых процессов при электронно-лучевой обработке поверхности образца [1].

С помощью математической программы MathCad, являющейся системой автоматизированного проектирования, возможно проведение расчетов, адаптированных к эксперименту, а также визуальное сопровождение. В данной работе были проведены расчеты по выращиванию тонких пленок оксида цинка распылением ионным пучком [2] с введением формул и данных из теории Зигмунда [3]. Тонкие пленки оксида цинка ZnO являются чувствительными сенсорными элементами для микросенсорики, обладают уникальными оптическими и элек- трическими свойствами: прозрачностью в области видимого диапазона шкалы электромагнитных волн, малым электрическим сопротивлением, большой шириной запрещенной зоны, малой работой выхода электронов, стойкостью к истиранию.

В работе проведено выращивание тонких пленок оксида цинка распылением ионным пучком, а также расчет коэффициентов распыления, что позволило предложить некоторые оптимальные параметры ростовых процессов.

Постановка задачи

Математическое моделирование было применено для определения тепловых полей при электронно-лучевой обработке поверхности образца, поскольку данный метод является весьма эффективным для улучшения качественных характеристик поверхностных слоев материалов, среди которых износостойкость, коррозионная стойкость, прочность. В частности, борирование поверхности образца значительно улучшает физико-химические свойства вещества.

Построение математической модели включает, во-первых, определение граничных условий теплового процесса. Учитывались энергия электронного пучка, плотность потока, толщина обрабатываемого слоя, теплоотвод от поверхности. Во-вторых, были использованы уравнения теплопроводности и законы сохранения энергии.

Программный комплекс COMSOL Multiphysics был адаптирован к теории Н. Н. Рыкалина [3]. Расчеты были проведены для 1000 точек. Модель была максимально приближена к реальному эксперименту: к скорости перемещения электронного луча, к траектории движения луча по поверхности образца. На рисунке 1 показана зависимость температуры в области теплового воздействия электронного пучка по глубине образца (а), а также в зависимости от времени воздействия (б).

Рис. 1. Зависимость температуры от глубины и в перпендикулярном направлении движения электронного пучка: а — по фронту; б — в зависимости от времени

На рисунке 2 представлены скорости нагрева и охлаждения в области пятна на поверхности образца. Пятно образуется под воздействием электронного пучка.

Рис. 2. Зависимость скорости нагрева (а) и охлаждения (б) в области пятна на поверхности образца

Результаты и обсуждение

Результаты моделирования тепловых полей при электронно-лучевой обработке поверхности образца показали, что самые высокие температуры наблюдались на поверхности в центральной области образца, что коррелирует с траекторией движения электронного пучка.

Были рассчитаны скорости нагрева и охлаждения в области воздействия электронного пучка. Они достигали величин 106 -105 К/с, что говорит о высокоскоростных процессах обработки поверхности образца. Такие высокоскоростные процессы приводят к изменению свойств материала. Следовательно, метод электронно-лучевой обработки с использованием математического моделирования тепловых полей может стать весьма эффективным методом для получения материалов с заранее заданными необходимыми свойствами.

В работе проведено моделирование процесса выращивания тонких пленок оксида цинка распылением ионным пучком с помощью математической программы MathCad, а именно был осуществлен расчет коэффициентов распыления мишени из ZnO пучком ионов аргона Ar+ [2]. Интенсивность распыления мишени ионным пучком определяется коэффициентом распыления S, который характеризует число выбитых из мишени атомов одним падающим ионом.

Коэффициенты распыления оксида цинка рассчитывали по теории Зигмунда [3]. Результаты проведенных расчетов показали, что коэффициенты распыления кислорода (~3,5 атом/ион) примерно в два раза превышали коэффициенты распыления цинка (~1,7 атом/ион). Причем максимум (выход на «плато») достигается при энергиях падающих ионов порядка ~4 кэВ. Дальнейшее увеличение энергии падающих ионов не приводит к значительному увеличению коэффициентов распыления. Поэтому можно рекомендовать для конкретно данного эксперимента энергии в этом диапазоне.

Полный теоретический коэффициент распыления оксида цинка суммировался из парциальных коэффициентов распыления цинка и кислорода, максимальные значения составляли порядка ~5,2 атом/ион. В расчетах учитывались атомные массы распыляемого образца и падающих ионов, энергии упругого торможения ионов, энергии поверхностной связи, углы падения ионов.

Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических данных показывает, что различие между теоретическими и экспериментальными результатами обусловлено, возможно, изменением рельефа поверхности мишени под действием ионного пучка. Образование кратеров травления приводит к изменению угла облучения поверхности мишени падающими ионами, значительная доля ионного тока поступает на склоны кратера под измененными углами. Распыленные частицы внутри кратера могут захватываться склонами, а затем вновь перераспы-ляться.

Заключение

Проведенные в работе исследования по моделированию процессов обработки поверхности электронно-лучевыми и ионно-лучевыми методами с использованием программного комплекса COMSOL Multiphysics и математической программы MathCad позволили провести расчет тепловых процессов при воздействии электронных пучков на поверхность образца, что является весьма перспективным для получения материалов с заранее заданными свойствами; расчет процессов распыления мишеней ионными пучками по определению диапазона энергий распыляющих ионов с максимальными значениями коэффициентов распыления, может существенным образом сократить число экспериментов с учетом оптимальных параметров ростовых процессов.