Hidrodinámica inducida por stress producido mediante irradiación iónica en materiales amorfizables : dinámica molecular y teoría

Abstract

La motivación de esta tesis es resolver la actual falta de explicaciones teóricas satisfactorias para la nanoestructuración de silicio mediante irradiación iónica (IBS). Durante los últimos años, se ha demostrado que el paradigma actual (la llamada teoría Bradley-Harper) no explica todos los experimentos disponibles y, en algunos casos, es incluso contradictoria. Además, los métodos numéricos se han dedicado casi exclusivamente a casos muy ideales, tales como los impactos de iones únicos contra objetivos perfectamente cristalinos, mientras que los experimentos reales consisten en impactos consecutivos en el sistema irradiado. En esta tesis se introduce un nuevo marco teórico que da cuenta de los nuevos resultados experimentales mencionados y llena el hueco entre las descripciones teóricas macroscópicas, basadas en ecuaciones diferenciales en derivadas parciales, y los resultados microscópicos de dinámica molecular (DM). Este método nos permite hacer una comparación con los experimentos ya publicados y con otros más recientes realizados por un grupo experimental colaborador. En este contexto, llegamos a la conclusión de que el stress inducido por los iones es el mecanismo más importante que predice la aparición de ripples nanoestructurados, y determinamos los parámetros que controlan su tamaño y la transición de plano a ripples superficiales.

The motivation of this thesis is to solve the current lack of satisfactory theoretical explanations of nanopatterning of silicon by ion beam sputtering. During the last years, the current paradigm (the so-called Bradley-Harper theory) has been recognised unsuitable, and in some cases even contradictory, with new experimental data acquired during the last decade. In addition, numerical methods have been almost exclusively devoted to highly idealized cases, such as single ion impacts on perfectly crystalline targets, while real experiments consist in consecutive impacts on the irradiated target. We introduce a novel theoretical framework that accounts for the mentioned new experimental results and fills the gap between the macroscopic theoretical descriptions, based on partial differential equations, and the microscopic Molecular Dynamics (MD) results. This framework allows us to make a comparison with already published experiments and newly ones performed by a collaborating group. Thus, we arrive at the conclusion that ion induced stress is the single most important mechanism that predicts the emergence of ripple nanopatterning, the parameters controlling their size and the transition from flat to nanopatterned surfaces.