Формирование и свойства квазикристаллических пленок на поверхности кристаллов при облучении протонно-ионными потоками

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

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

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. 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.

1. . 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.

2. Векилов Ю. Х., Черников М. А. Квазикристаллы // Успехи физических наук. 2010. Т. 180, № 6. С. 561–586.

3. Bendersky L. Quasicrystal with one-dimensional translational symmetry and a ten-fold rotation axis // Phys. Rev. Lett. 1985. Vol. 54. P. 2422.

4. Levine D., Steinhardt P. J. Quasicrystals: a new class of ordered structures // Phys. Rev. Lett. 1984. Vol. 53, no. 26. P. 2477–2480.

5. 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.2003.11.038

6. Abe 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.

7. 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.

8. Мадисон А. Е. Симметрия квазикристаллов // Физика твердого тела. 2013. Т. 55, № 4. С. 784–796.

9. Socolar J. E. S., Steinhardt P. J., Quasicrystals I. Definition and structure // Phys. Rev. B. 1986. Vol. 34. P. 596–616.

10. Yuvaraj Sah, Ranganath G. S. Optical diffraction in some Fibonacci structures // Optics Communications. 1995. Vol. 114. P. 18–24.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. Melnikov G. A. Clusters of Fibonacci in the structure of condensed medium // Известия вузов. Физика. 2018. Т. 61, № 9-2(729). C. 207–210.

16. 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.

17. 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.

18. 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).

19. 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).

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. Флюгге З. Задачи по квантовой механике. Т. 1. М.: Мир, 1974. 342 с.

24. 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.

25. Borodin Y., Zadorozhnaya T., Ghyngazov S. The effect of protonation on structural modification in layers // Materials Science Forum. 2019. Vol. 942. P. 21–29.

26. Протонное модифицирование оксидов и оксидных пленок / А. Н. Сергеев, А. Н. Анненков, С. Н. Сутулин, Ю. В. Бородин. М.: ЦНИИ «Электроника», 1989. 55 с.

27. 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.

28. 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.

29. Грунт из материкового района Луны / отв. ред. В. Л. Барсуков, Ю. А. Сурков. М.: Наука, 1979. 708 с.

30. Регель А. Р., Глазов В. М. Физические свойства электронных расплавов. М.: Мир, 1980. 209 с.

31. Mercury. NASA Science. Solar System Exploration, 2022. URL: https://solarsystem.nasa.gov/planets/mercury/overview/ (дата обращения: 17.03.2022).

32. Лозовик Ю. Е., Волков С. Ю. Управление электронными корреляциями в сферической квантовой точке // Физика твердого тела. 2005. Т. 45, вып. 2. С. 345.

33. 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.

34. 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.

35. 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.

36. Берри Р. С., Смирнов Б. М. Фазовые переходы в кластерах различных типов // Успехи физических наук. 2009. Т. 179, № 2. С. 147–177.