Energetic Cluster Impact (ECI):  
Verständnis des Verfahrens durch Prozeßsimulation
Der Stoß eines einzelnen Clusters mit einer Oberfläche kann als der Elementarprozeß des ECI-Schichtwachstums angesehen werden. Deshalb kann die Simulation dieses Prozesses entscheidende Hinweise auf die Wachstumscharakteristik der ECI-Schichten geben.
In einer solchen Simulation werden die klassischen Trajektorien der Clusteratome und der Atome aus einem hinreichend großen Ausschnitt der Oberfläche berechnet. Für Stöße mit der größten im Experiment gerade noch möglichen kinetischen Energie (Größenordnung 10 keV), müssen dabei bis zu 400 000 Atome berücksichtigt werden. Die zwischen den Atomen wirkenden Kräfte werden aus einem semiempirischen Vielteilchenpotential bestimmt. Da der Aufprall des Clusters eine Druckwelle in der Oberfläche erzeugt (Haberland, Insepov, and Moseler, Phys. Rev. B 51, 11061 (1995) ), mußten neuartige nichtreflektierende Randbedingungen entwickelt werden (Moseler, Nordiek, and Haberland, Phys. Rev. B 56, 15439 (1997) ).
 
Cu2000 -> Cu(001)
(größeres Bild, 65 K)

Der Cluster-Oberflächen-Stoß:
Cu2000 auf Cu(001) Oberfläche

Die nebenstehende Sequenz zeigt den Stoß eines einzelnen Cu2000-Clusters auf eine Cu(001) Oberfläche. Der Cluster hatte eine für das Experiment typische kinetische Energie von 10 keV. Der Stoß wurde über einen Zeitraum von 50 ps verfolgt. Während des Stoßes treten Drücke von bis zu 100 GPa und Temperaturen von mehreren 1000 K auf. Diese extremen Bedingungen führem zu einem lokalen Aufschmelzen der Auftreffregion. Damit läßt sich die außerordentliche  Kompaktheit der ECI-Schichten erklären.

Animation: Cu1000->Cu(001) (109 K) 

 
0.1 eV/Atom 
10 eV/Atom 
(größeres Bild, 76 K)

Molybdän-Cluster auf Molybdänoberfläche

Dieses Beispiel von Molybdän-Clustern aus etwa 1000 Atomen macht die Bedeutung der Stoßenergie für den ECI-Prozeß deutlich. Gezeigt sind drei Atomlagen breite Schnitte senkrecht zur Oberfläche. Unbeschleunigte Cluster (oberes Bild) besitzen lediglich die Schallgeschwindigkeit des zur Clustererzeugung notwendigen Trägergases (Ar). Deshalb bleibt ihre Struktur bei der Deposition nahezu unverändert ("soft landing"). Mit 10 kV beschleunigte Cluster hingegen graben sich in die Oberfläche ein und bilden einen flachen Krater (siehe untere Grafik).

 
Mo-Schichten
(größeres Bild, 127 K)

Simulation des Schichtwachstums

Der Einfluß der Stoßenergie auf die Schichtmorphologie ist an diesen Simulationen von 40 nacheinander auftreffenden Clustern zu erkennen. Unbeschleunigte Cluster (100 eV) bilden eine poröse Schicht (Fingerwachstum) mit schlechter Unterlagenhaftung. Mit wachsender Beschleunigungsspannung wird die Schicht jedoch zunehmend dichter (1 kV) und es kommt schließlich zu einer Verzahnung zwischen Unterlage und Schicht (10 kV). Dies erklärt die gute Haftung der ECI-Schichten.

 

Animation (190 K)

Animation eines Stosses:
Cu2000 mit 10 keV auf schräge Cu(001) Oberfläche 

Eine wachsende ECI-Schicht kann man sich als eine sanfte Hügellandschaft mit 1-2 nm hohen "Bergen" vorstellen. Auf diese Topographie werden nun laufend neue Cluster an zufälligen Orten deponiert. Zufällige Anhäufung von Clustern  an manchen Stellen führt normalerweise zu einer Aufrauhung der Schicht. Diesem Prozeß wirkt aber ein Hangabtriebsprozeß entgegen. Der Stoß auf eine Flanke (=schräge Oberfläche) bewirkt einen talwärts gerichteten Massenstrom (wie in der nebenstehenden Animation deutlich zu sehen ist). So werden laufend Berge in die Täler erodiert und damit Rauhigkeit unterdrückt. 

Literatur zum Thema MD-Simulationen
M. Moseler, O. Rattunde, J. Nordiek, and H. Haberland,
On the origin of surface smoothing by energetic cluster impact: molecular dynamics simulation and mesoscopic modeling,
Nucl. Inst. + Meth. B 164-165, 522 (2000).

M. Moseler, J. Nordiek, and H. Haberland,
Reduction of the Reflected Pressure Wave in Molecular Dynamics Simulation of Energetic Particle-Solid Collisions,
Phys. Rev. B 56, 15439 (1997).

J. Nordiek, M. Moseler, and H. Haberland,
Energetic Impact of Cu-clusters on Cu-surfaces,
Radiation Effects and Defects in Solids 142, 27 (1997).
H. Haberland, Z. Insepov, and M. Moseler,
Molecular-dynamics simulations of thin-film growth by energetic cluster impact,
Phys. Rev. B 51, 11061 (1995).

H. Haberland, Z. Insepov, and M. Moseler,
Thin film growth by energetic cluster impact (ECI): comparison between experiment and molecular dynamics simulations,
Z. Phys. D 26, 229 (1993).