techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2022-12-2-146-165techusgu-56Research ArticleФИЗИКАPHYSICSФормирование и свойства квазикристаллических пленок на поверхности кристаллов при облучении протонно-ионными потокамиFormation and Properties of Quasi-Crystalline Films on the Surface of Crystals Under Irradiation with Proton–Ion Fluxeshttps://orcid.org/0000-0001-9017-6285МельниковГ. А.MelnikovG. A.

Мельников Геннадий Александрович, кандидат физико-математических наук,  старший научный сотрудник кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и  прикладной физики

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Gennady A. Melnikov, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Senior Researcher of the  Departments of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

melnikovga@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2807-9887ИгнатенкоН. М.IgnatenkoN. M.

Игнатенко Николай Михайлович, доктор физико-математических наук, доцент,  профессор кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Nikolay M. Ignatenko, Dr. of Sci. (Physics and Mathematics), Professor of the Departments of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

inmkstu@bk.ruПетроваЛ. П.PetrovaL. P.

Петрова Людмила Павловна, кандидат  физико-математических наук, доцент кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей  и прикладной физики

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Ludmila P. Petrova, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Associate Professor of the  Departments of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

luci78@mail.ruСучилкинВ. В.SuchilkinV. V.

Сучилкин Вадим Викторович, старший  преподаватель кафедры нанотехнологий,  микроэлектроники, общей и прикладной  физики

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Vadim V. Suchilkin, Senior lecturer of the  Departments of Nanotechnology, Micro- electronics, General and Applied Physics

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

svadim07@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6710-9949ГромковА. С.GromkovA. S.

Громков Андрей Сергеевич, аспирант  кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Andrey S. Gromkov, Post-Graduate Student of the Departments of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

andrei_gromkov@mail.ruЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian Federation202227042023122146165Copyright © Мельников Г.А., Игнатенко Н.М., Петрова Л.П., Сучилкин В.В., Громков А.С., 20232023Мельников Г.А., Игнатенко Н.М., Петрова Л.П., Сучилкин В.В., Громков А.С.Melnikov G.A., Ignatenko N.M., Petrova L.P., Suchilkin V.V., Gromkov A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/56Цель исследования

Цель исследования. Изучение особенностей формирования квазикристаллических пленок и условий образования в их структуре квантовых точек как электромагнитных ловушек для электронов или протонов.

Методы

Методы. Применен метод моделирования структуры кластеров в приближении абсолютно твердых сфер на принципах плотной упаковки частиц и правила «золотого» сечения.

Результаты

Результаты. Показано, что в структуре квазикристаллических пленок возможно образование квантовых точек, представляющих собой потенциальные ямы различной формы с квантованным движением электрона или протона. В случае электрона в потенциальной яме такая яма становится источником электромагнитного излучения в ультрафиолетовой области спектра, в случае протона в потенциальной яме – излучение квантовой точки находится в инфракрасной области спектра.

Заключение

Заключение. При облучении поверхности кристалла протонно-ионными потоками при определенном соотношении диаметров атомов облученного кристалла и ионов облучающего потока на поверхности кристалла может образоваться квазикристаллическая пленка с плотнейшей упаковкой атомов. В структуре квазикристаллической пленки образуются свободные от атомов области размером порядка 1 Å, которые являются ловушками для протонов из облучающего потока, таким образом, появляется квантовая точка. Атомная упаковка квазикристаллической пленки представляет собой упаковку равносторонних ромбов Пенроуза, в вершинах которых находятся центры масс атомов.

Purpose of research

Purpose of research. The study of the features of the formation of quasicrystalline films and the conditions for the formation of quantum dots in their structure as electromagnetic traps for electrons or protons.

Methods

Methods. A method of modeling the structure of clusters in the approximation of absolutely hard spheres on the principles of close packing of particles and the rule of the "golden section" is applied.

Results

Results. It is shown that in the structure of quasicrystalline films, the formation of quantum dots is possible, which are potential wells of various shapes with quantized motion of an electron or proton. In the case of an electron in a potential well, such a well becomes a source of electromagnetic radiation in the ultraviolet region of the spectrum; in the case of a proton in a potential well, the radiation of a quantum dot is in the infrared region of the spectrum.

Conclusion

Conclusion. When a crystal surface is irradiated with proton-ion fluxes with a certain ratio of the diameters of the atoms of the irradiated metal and the ions of the irradiating flux, a quasicrystalline film with a densest packing of atoms can form on the crystal surface. In the structure of the quasicrystalline film, atom-free regions of the order of 1 Å in size are formed, which are traps for protons from the irradiating flux, so a quantum dot appears.

The atomic packing of a quasicrystalline film is a packing of equilateral Penrose rhombuses at the vertices of which are the centers of mass of atoms.

A mathematical relation is obtained that allows one to predict the radii of the ions of the irradiating flow for the formation of a quasicrystalline film and to choose the atomic composition of the resulting film with predetermined properties.

квантовые точкиквазикристаллические пленкипротонно-ионные потокиструктураупаковка атомовромбы Пенроузаquantum dotsquasicrystalline filmsproton-ion flowsstructurepacking of atomsPenrose rhombusesReferences. Metallic phase with long-range orientational order and no translational symmetry / D. Shechtman, I. Blech, D. Gratias, J. W. Cahn // Phys. Rev. Lett. 1984. Vol. 53, no. 20. P. 1951–1953.Shechtman D., Blech I., Gratias D., Cahn J. W. Metallic phase with long-range orientational order and no translational symmetry. Phys. Rev. Lett., 1984, vol. 53, no. 20, pp. 1951– 1953.Векилов Ю. Х., Черников М. А. Квазикристаллы // Успехи физических наук. 2010. Т. 180, № 6. С. 561–586.Vekilov Yu. Kh., Chernikov M. A. Kvazikristally [Quasicrystals]. Uspekhi fizicheskikh nauk = Successes of physical sciences, 2010, vol. 180, no. 6, pp. 561–586.Bendersky L. Quasicrystal with one-dimensional translational symmetry and a ten-fold rotation axis // Phys. Rev. Lett. 1985. Vol. 54. P. 2422.Bendersky L. Quasicrystal with one-dimensional translational symmetry and a ten-fold rotation axis. Phys. Rev. Lett., 1985, vol. 54, pp. 2422.Levine D., Steinhardt P. J. Quasicrystals: a new class of ordered structures // Phys. Rev. Lett. 1984. Vol. 53, no. 26. P. 2477–2480.Levine D., Steinhardt P. J. Quasicrystals: a new class of ordered structures. Phys. Rev. Lett., 1984, vol. 53, no. 26, pp. 2477–2480.Abe E., Tsai A. Decagonal structure of Al72Ni20Co8 studied by atomic-resolution electron microscopy // J. of Non-Crystalline Solids. 2004. Vol. 334–335. P. 198–201. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2003.11.038Abe E., Tsai A. Decagonal structure of Al72Ni20Co8 studied by atomic-resolution electron microscopy. J. of Non-Crystalline Solids, 2004, vol. 334–335, pp. 198–201. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2003.11.038Abe E., Yan Y., Pennycook S. J. R. Quasicrystals as cluster aggregates // Nat. Mater. 2004. Vol. 3. P. 759–767. https://doi.org/10.1038/nmat1244.Abe E., Yan Y., Pennycook S. J. R. Quasicrystals as cluster aggregates. Nat. Mater., 2004, vol. 3, pp. 759–767. https://doi.org/10.1038/nmat1244.Калугин П. А., Китаев А. Ю., Левитов Л. С. Аl0,86Mn0,14 –шестимерный кристалл // Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. 1985. Т. 41. C. 119.Kalugin P. A., Kitaev A. Yu., Levitov L. S. Al0,86Mn0,14 – shestimernyi kristall [Al0,86Mn0,14–six-dimensional crystal]. Pis'ma v zhurnal eksperimental'noi i teoreticheskoi fiziki = Letters to the Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1985, vol. 41, pp. 119.Мадисон А. Е. Симметрия квазикристаллов // Физика твердого тела. 2013. Т. 55, № 4. С. 784–796.Madison A. E. Simmetriya kvazikristallov [Symmetry of quasicrystals]. Fizika tverdogo tela = Solid state Physics, 2013, vol. 55, no. 4, pp. 784–796.Socolar J. E. S., Steinhardt P. J., Quasicrystals I. Definition and structure // Phys. Rev. B. 1986. Vol. 34. P. 596–616.Socolar J. E. S., Steinhardt P. J. Quasicrystals I. Definition and structure. Phys. Rev. B, 1986, vol. 34, pp. 596–616.Yuvaraj Sah, Ranganath G. S. Optical diffraction in some Fibonacci structures // Optics Communications. 1995. Vol. 114. P. 18–24.Yuvaraj Sah, Ranganath G. S. Optical diffraction in some Fibonacci structures. Optics Communications, 1995, vol. 114, pp. 18–24.The structure of small clusters and ir spectrum condensed matters / G. A. Melnikov, N. M. Ignatenko, V. G. Melnikov, E. N. Cherkasov, O. A. Manzhos // Journal of Nano- and Electronic Physics. 2015. Vol. 7, no. 4. P. 04087.Melnikov G. A., Ignatenko N. M., Melnikov V. G., Cherkasov E. N., Manzhos O. A. The structure of small clusters and ir spectrum condensed matters. Journal of Nano- and Electronic Physics, 2015, vol. 7, no. 4, pp. 04087.Formation of cluster systems in condensed matter and IR spectra of liquids / G. Melnikov, N. Ignatenko, P. Krasnych, V. Melnikov, E. Cherkasov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 110. P. 012064. https://doi.org/10.1088/1757899X/110/1/012064.Melnikov G., Ignatenko N., Krasnych P., Melnikov V., Cherkasov E. Formation of cluster systems in condensed matter and IR spectra of liquids. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016, vol. 110, pp. 012064. https://doi.org/10.1088/1757899X/110/1/012064.Квазикристаллическое строение кластерных систем и наночастиц / Г. А. Мельников, Н. М. Игнатенко, В. Г. Мельников, Е. Н. Черкасов, О. А. Манжос // Моделирование структур, строение вещества, нанотехнологии: сборник материалов III Международной научной конференции. Тула: Изд-во Тул. гос. пед. ун-та им. Л. Н. Толстого, 2016. C. 43–48.Melnikov G. A., Ignatenko N. M., Melnikov V. G., Cherkasov E. N., Manzhos O. A. [Quasi-crystalline structure of cluster systems and nanoparticles]. Modelirovanie struktur, stroenie veshchestva, nanotekhnologii. Sbornik materialov III Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii [Modeling of structures, structure of matter, nanotechnology. Collection of materials of the III International Scientific Conference]. Tula, Tula St. Lev Tolstoy Ped. Univ. Publ., 2016, pp. 43–48. (In Russ.)Peculiarities of quasicrystalline films formation processes on crystal surface under irradiation with proton-ion flows / G. Melnikov, N. Ignatenko, L. Petrova, V. Suchilkin, A. Gromkov // MATEC Web Conf. 2021. Vol. 344. P. 01009. https://doi.org/10.1051/matecconf/202134401009.Melnikov G., Ignatenko N., Petrova L., Suchilkin V., Gromkov A. Peculiarities of quasicrystalline films formation processes on crystal surface under irradiation with proton-ion flows. MATEC Web Conf., 2021, vol. 344, рр. 01009. https://doi.org/10.1051/matecconf/ 202134401009.Melnikov G. A. Clusters of Fibonacci in the structure of condensed medium // Известия вузов. Физика. 2018. Т. 61, № 9-2(729). C. 207–210.Melnikov G. A. Clusters of Fibonacci in the structure of condensed medium. News of universities. Physics, 2018, vol. 61, no. 9-2(729), pp. 207–210.The structural properties of disordered condensed medium in the framework of a cluster model / G. A. Melnikov, S. G. Emelyanov, N. M. Ignatenko, V. G. Melnikov, O. A. Manzhos // Известия вузов. Физика. 2018. Т. 61, № 9-2(729). C. 203–206.Melnikov G. A., Emelyanov S. G., Ignatenko N. M., Melnikov V. G., Manzhos O. A. The structural properties of disordered condensed medium in the framework of a cluster model. News of universities. Physics. 2018, vol. 61, no. 9-2(729), pp. 203–206.Калинина Н. Е., Кавац О. А., Федючук А. К. Микролегирование стронцием линейных сплавов, применяемых в ракетно-космической технике // Вестник двигателестроения. 2006. № 1. C. 147–149.Kalinina N. E., Kavats O. A., Fedchuk A. K. Mikrolegirovanie strontsiem lineinykh splavov, primenyaemykh v raketno-kosmicheskoi tekhnike [Micro-alloying with strontium of foundry alloys used in rocket and space technology]. Vestnik dvigatelestroeniya = Bulletin of Engine Building, 2006, no. 1, pp. 147–149.Size-dependent of CdSe quantum dots / S. Neeleshwar, C. L. Chen, C. B. Tsai, Y. Y. Chen, C. C. Chen, S. G. Shyu, M. S. Seehra // Phys. Rev. B. 2005. Vol. 71. P. 201307(R).Neeleshwar S., Chen C. L., Tsai C. B., Chen Y. Y., Chen C. C., Shyu S. G., Seehra M. S. Size-dependent of CdSe quantum dots. Phys. Rev. B, 2005, vol. 71, pp. 201307(R).New Diluted ftrrjmagnetic semiconductor Li(Zn,Mn)P, with decupled charge and spin djpung / Z. Deng, K. Zhao, B. Gu, W. Han, J. L. Zhu, X. C. Wang, X. Li, Q. Q. Liu, R. C. Yu, T. Goko, B. Frandsen, L. Liu, Jinsong Zhang, Yayu Wang, F. L. Ning, S. Maekawa, Y. J. Uemura, C. Q. Jin // Phys. Rev. B. 2013. Vol. 88. P. 081203(R).Deng Z., Zhao K., Gu B., Han W., Zhu J. L., Wang X. C., Li X., Liu Q. Q., Yu R. C., Goko T., Frandsen B., Liu L., Jinsong Zhang, Yayu Wang, Ning F. L., Maekawa S., Uemu- ra Y. J., Jin C. Q. New Diluted ftrrjmagnetic semiconductor Li(Zn,Mn)P, with decupled charge and spin djpung. Phys. Rev. B, 2013, vol. 88, pp. 081203(R).Ткач Н. В., Сети Ю. А. Эволюция квазистационарных состояний электрона в открытой сферической квантовой точке // Физика твердого тела. 2009. Т. 51, вып. 5. С. 979–985.Tkach N. V., Seti Yu. A. Evolyutsiya kvazistatsionarnykh sostoyanii elektrona v otkrytoi sfericheskoi kvantovoi tochke [Evolution of quasi-stationary electron states in an open spherical quantum dot]. Fizika tverdogo tela = Solid State Physics, 2009, vol. 51, is. 5, pp. 979–985.Катанджан Т. В. Электронные состояния и оптические свойства цилиндрической квантовой точки с ограничивающим потенциалом Морса: автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. Ереван, 2016. 17 с.Katanjan T. V. Elektronnye sostoyaniya i opticheskie svoistva tsilindricheskoi kvantovoi tochki s ogranichivayushchim potentsialom Morsa. Avtoref. diss. kand. fiz.-mat. nauk [Electronic states and optical properties of a cylindrical quantum dot with a limiting Morse potential. Cand. of Phys. and Mathemat. sci. abstract diss.]. Yerevan, 2016. 17 p.Загря Г. Г., Константинов О. В., Матвеенцев А. В. Структура энергетических квантовых уровней в квантовой точке, имеющей форму сплюснутого тела вращения // Физика и техника полупроводников. 2003. Т. 37, вып. 3. С. 234–238.Zegrya G. G., Konstantinov O. V., Matveentsev A. V. Struktura energeticheskikh kvantovykh urovnei v kvantovoi tochke, imeyushchei formu splyusnutogo tela vrashcheniya [The structure of energy quantum levels in a quantum dot having the shape of an oblate body of rotation]. Fizika i tekhnika poluprovodnikov = Physics and Technology of Semiconductors, 2003, vol. 37, vol. 3, pp. 234–238.Флюгге З. Задачи по квантовой механике. Т. 1. М.: Мир, 1974. 342 с.Flugge Z. adachi po kvantovoi mekhanike [Problems in quantum mechanics]. Vol. 1. Moscow, Mir Publ., 1974. 342 p.Поглощение излучения дальнего инфракрасного диапазона квантовыми точками Ge/Si / А. Н. Софронов, Р. М. Балагула, Д. А. Фирсов, Л. Е. Воробьев, А. А. Тонких, А. А. Саркисян, Д. Б. Айрапетян, Л. С. Петросян, Э. М. Казарян // Физика и техника полупроводников. 2018. Т. 52, вып. 1. С. 63–67.Sofronov A. N., Balagula R. M., Firsov D. A., Vorobyev L. E., Tonkikh A. A., Sarkisyan A. A., Hayrapetyan D. B., Petrosyan L. S., Kazaryan E. M. Pogloshchenie izlucheniya dal'nego infrakrasnogo diapazona kvantovymi tochkami Ge/Si [Absorption of far infrared radiation by Ge/Si quantum dots]. Fizika i tekhnika poluprovodnikov =Physics and Technology of Semiconductors, 2018, vol. 52, is. 1, pp. 63–67.Borodin Y., Zadorozhnaya T., Ghyngazov S. The effect of protonation on structural modification in layers // Materials Science Forum. 2019. Vol. 942. P. 21–29.Borodin Y., Zadorozhnaya T., Ghyngazov S. The effect of protonation on structural modification in layers. Materials Science Forum, 2019, vol. 942, pp. 21–29.Протонное модифицирование оксидов и оксидных пленок / А. Н. Сергеев, А. Н. Анненков, С. Н. Сутулин, Ю. В. Бородин. М.: ЦНИИ «Электроника», 1989. 55 с.Sergeev A. N., Annenkov A. N., Sutulin S. N., Borodin Yu. V. Protonnoe modifitsirovanie oksidov i oksidnykh plenok [Proton modification of oxides and oxide films]. Moscow, Central Research Institute "Electronics", 1989. 55 p .Однородные и неоднородные планки оксидных систем / А. Н. Сергеев, Л. А. Осадчев, М. Н. Фролова, С. Н. Сутулин, Ю. В. Бородин. М.: ЦНИИ «Электроника», 1989. 63 с.Sergeev A. N., Osadchev L. A., Frolova M. N., Sutulin S. N., Borodin Yu. V. Odnorodnye i neodnorodnye planki oksidnykh sistem [Homogeneous and inhomogeneous films of oxide systems]. Moscow, Central Research Institute "Electronics", 1989. 63 p .Размерное квантование. Часть 1. Энергетический спектр наноструктур / В. Э. Гасумянц, С. Н. Лыков, Д. А. Пшенай-Северин, C. А. Рыков, Д. А. Фирсов; под ред. С. Н. Лыкова. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. 258 с.Gasumyants V. E., Lykov S. N., Pshenai-Severin D. A., Rykov C. A., Firsov D. A. Razmernoe kvantovanie. Chast' 1. Energeticheskii spektr nanostruktur [Dimensional quantization. Part 1. Energy spectrum of nanostructures]; ed. by S. N. Lykov. St. Petersburg, St. Petersburg Polytechn. Univ. Publ., 2009. 258 p.Грунт из материкового района Луны / отв. ред. В. Л. Барсуков, Ю. А. Сурков. М.: Наука, 1979. 708 с.Grunt iz materikovogo raiona Luny [Soil from the mainland region of the Moon]; ed. V. L. Barsukov, Yu. A. Surkov. Moscow, Nauka Publ., 1979. 708 p.Регель А. Р., Глазов В. М. Физические свойства электронных расплавов. М.: Мир, 1980. 209 с.Regel A. R., Glazov V. M. Fizicheskie svoistva elektronnykh rasplavov [Physical properties of electronic melts]. Moscow, Mir Publ., 1980. 209 p.Mercury. NASA Science. Solar System Exploration, 2022. URL: https://solarsystem.nasa.gov/planets/mercury/overview/ (дата обращения: 17.03.2022).Mercury. NASA science. Exploration of the Solar System, 2022. Available: https://solarsystem.nasa.gov/planets/mercury/overview/. (accessed 17.03.2022)Лозовик Ю. Е., Волков С. Ю. Управление электронными корреляциями в сферической квантовой точке // Физика твердого тела. 2005. Т. 45, вып. 2. С. 345.Lozovik Yu. E., Volkov S. Yu. Upravlenie elektronnymi korrelyatsiyami v sfericheskoi kvantovoi tochke [Control of electronic correlations in a spherical quantum dot]. Fizika tverdogo tela = Solid State Physics, 2005, vol. 45, vol. 2, pp. 345.Особенности электронного спектра открытой сферической квантовой точки с дельта-потенциалом / Н. В. Королев, С. Е. Стародубцев, Е. Н. Бормонтов, А. Ф. Клинских // Конденсированные среды и межфазные границы. 2011. Т. 13, № 1. С. 67–71.Korolev N. V., Starodubtsev S. E., Bormontov E. N., Klinskikh A. F. Osobennosti elektronnogo spektra otkrytoi sfericheskoi kvantovoi tochki s del'ta-potentsialom [Features of the electronic spectrum of an open spherical quantum dot with delta potential]. Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granitsy = Condensed media and interphase boundaries, 2011, vol. 13, no. 1, pp. 67–71.Carnahan N. F., Starling K. E. Equation of state for nonattracting rigid spheres // J. Chem. Phys. 1969. Vol. 51. P. 635–636. https://doi.org/10.1063/1.1672048.Carnahan N. F., Starling K. E. Equation of state for nonattracting rigid spheres. J. Chem. Phys. 1969, vol. 51, pp. 635–636. https://doi.org/10.1063/1.1672048.Bernal J. D. The Bakerian Lecture, 1962 The structure of liquids // Proc. R. Soc. Lond. A. 1964. Vol. 280. P. 299–322. https://doi.org/10.1098/rspa.1964.0147.Bernal J. D. The Bakerian Lecture, 1962 The structure of liquids. Proc. R. Soc. Lond. A. 1964, vol. 280, pp. 299–322. https://doi.org/10.1098/rspa.1964.0147.Берри Р. С., Смирнов Б. М. Фазовые переходы в кластерах различных типов // Успехи физических наук. 2009. Т. 179, № 2. С. 147–177.Berry R. S., Smirnov B. M. Fazovye perekhody v klasterakh razlichnykh tipov [Phase transitions in clusters of various types]. Uspekhi fizicheskikh nauk = Successes of physical sciences. 2009, vol. 179, no. 2, pp. 147–177.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.