Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Основная цель проекта выяснение закономерностей накопления и отжига радиационных нарушений структуры в двух политипах оксида галлия (альфа и бета) и исследование физической природы обнаруженных явлений в широком диапазоне условий бомбардировки ускоренными ионами. Одним из основных направлений исследований нашего проекта является изучение эффектов, ход которых зависит от плотности каскадов смещений, которые образуются вдоль треков ионов. Очевидно, что для проведения подобных исследований следует, во-первых, получить информацию о генерации первичных дефектов используемыми ионами в изучаемых материалах, и, во-вторых, рассчитать плотность усредненных индивидуальных каскадов, разработав метод ее расчета. Первая задача была решена с использованием стандартной программы TRIM, а для решения второй, весьма непростой задачи, была использована разработанная нами уникальная программа. Выполнены исследования зависимости накопления структурных нарушений при имплантации атомарных ионов разных масс и молекулярных ионов в Ga2O3 как для альфа, так и для бета фаз, при разных энергиях и соблюдении корректных условий облучения. Экспериментально, с помощью резерфордовского обратного рассеяния быстрых ионов гелия (RBS/C), получены распределения структурных нарушений по глубине при облучении атомарными и молекулярных ионов с рядом энергий в образцы как бета-, так и альфа-оксида галлия. Отметим, что это первые опубликованные в литературе результаты по ионному повреждению альфа-Ga2O3, а данные по накоплению нарушений структуры оксида галлия молекулярными ионами также получены впервые в мире. Установлено, что метастабильный полиморф альфа-Ga2O3 является существенно более радиационно-стойким, чем бета-Ga2O3: доза ионов, необходимая для достижения примерно одинакового уровня разупорядочения отличается для них примерно в 10 раз. Показано, что рост плотности усредненных индивидуальных каскадов столкновений внедряемых ионов за счет перекрытия индивидуальных каскадов смещений, создаваемых частицами, составлявшими молекулу, приводит к существенному увеличению эффективности накопления устойчивых нарушений вблизи поверхности мишени в альфа и бета политипах оксида галлия. Впервые в мире экспериментально продемонстрировано (методом XRD), что плотность каскадов смещений также заметно влияет и на величину упругих механических напряжений, формируемых в полупроводниках при ионном облучении бета-Ga2O3. Впервые экспериментально доказано, что величиной упругих напряжений в области объемного пика структурных нарушений (ОМД) в Ga2O3 можно управлять, изменяя уровень повреждения у самой поверхности образца. Указанная возможность иллюстрируется дополнительным повреждением приповерхностного бомбардировкой ионами никеля сравнительно малой энергии в слои бета-оксида галлия с предварительно созданными дефектами. Из приведенного выше экспериментального результата можно сделать практически важный вывод: поскольку переход из одной полиморфной фазы оксида галлия в другую во-многом определяется упругими напряжениями, изменяя уровень повреждения оксида у поверхности, можно будет управлять полиморфными превращениями в объеме, используя, в частности, облучение атомарными/молекулярными ионами разной массы и состава. Экспериментально показано, что облучение ионами вплоть до доз порядка 7 СНА, несмотря на существенное накопление повреждений структуры мишени, не приводит к заметному изменению топографии поверхности. Установлено, что в пределах чувствительности метода комбинационного рассеяния света не происходит изменение фазового состава мишени после облучения до тех же доз. Разработаны и реализованы алгоритмы моделирования событий, происходящих при падении ускоренного иона на открытую поверхность мишени методом молекулярной динамики. Проверена их работоспособность на тестовой системе (взаимодействие ускоренного иона фуллерена с поверхностью кремния). Найден подход к моделированию межатомных взаимодействий в бета-оксиде галлия. Начата разработка программной оболочки, позволяющей создавать скрипты и проводить моделирование в среде LAMMPS с использованием удобных и наглядных графических средств. Разрабатываемая оболочка призвана существенно облегчить ознакомление и использование пакета LAMMPS, особенно для новых пользователей предоставляя им интуитивный графический интерфейс и богатый набор подсказок.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Второй этап проекта является естественным продолжением предыдущего и посвящен, в первую очередь, дальнейшему исследованию закономерностей накопления радиационных нарушений структуры при имплантации ионов в два политипа оксида галлия (альфа и бета). Хотя Ga2O3 вызывает большой интерес как материал, пригодный для создания электронных приборов высокой мощности и оптоэлектронных приборов нового поколения, понимание механизмов, которые сопровождают подобную имплантацию, находится на достаточно ранней стадии. В то время, как для β фазы Ga2O3, которая является стабильной, выполнен относительно большой объем исследований, процессы при внедрении ионов в альфа – фазу требуют ещё весьма серьёзного изучения. Следует отметить, что хотя эта фаза является метастабильной с температурой перехода около 600оС, есть все основания полагать, что этот материал может найти также широкое применение, поскольку он потенциально обладает рядом существенных преимуществ. К основным достижениям второго этапа проекта следует отнести нижеследующее. Получены оригинальные экспериментальные данные, позволяющие анализировать кинетику накопления структурных повреждений, которые создаются при облучении оксида галлия при комнатной температуре ускоренными тяжелыми ионами и продолжено изучение эффектов при имплантации как атомарными, так и молекулярными ионами. При этом обнаружены необычные особенности в формировании распределения стационарных нарушений в альфа-оксиде галлия, в частности, дополнительный максимум дефектов (для специальных случаев облучения легкими ионами) в объеме и аморфизация поверхностного слоя (при облучении ионами ксенона), которая ранее в оксиде галлия не наблюдалась. Начаты исследования зависимости хода накопления радиационных повреждений в зависимости от плотности тока ионного пучка или, точнее, плотности потока ионов. При внедрении ускоренных ионов фосфора обнаружена, хотя и не очень сильная, зависимость. Это означает, что, по крайней мере в этом случае, определённую роль в накоплении радиационных повреждений в альфа-Ga2O3 играют нелинейные процессы вторичного дефектообразования. В целом ряде практических приложений необходима последовательная со-имплантация ионов с разной энергией. Например, в случаях, когда при изготовлении приборов требуется создание достаточно сложных профилей распределения внедряемых атомов, которые невозможно реализовать однократным облучением. В проекте в первые в мире экспериментально показано, что при подобной со-имплантации ионов примеси в оксид галлия для интегрального распределения стабильных дефектов не выполняется аддитивность и коммутативность. Другими словами, если провести имплантацию каждым типом ионов, то при комбинированном облучении результирующее распределение не является простой суммой таких профилей. Кроме того, результирующее распределение дефектов, а также и их интегральное количество существенно зависят от последовательности, в которой производится имплантация с каждой энергией. Оценка плотности усреднённых каскадов столкновений позволяет предсказывать влияние этого параметра на эффективность радиационного повреждения. Вот почему для всех случаев облучения нами был проведен расчет плотности усреднённых каскадов столкновений по разработанной нами оригинальной методике и эти результаты сопоставлены с результатами подобных расчётов по методу, развитому в Ливерморской национальной лаборатории (США). Оказалось, что обе методики качественно одинаково предсказывают влияние данного параметра. Доказано, что каскады смещений, которые создаются бомбардирующими ионами, являются в бета-оксиде галлия фракталами. Использованный метод позволяет определить размерность этих фракталов, что и было сделано для нескольких случаев. Высказано предположение, что в дальнейшем фрактальная размерность сможет послужить в качестве критерия плотности каскадов. Экспериментально, методом атомно-силовой микроскопии установлено, что поверхность альфа-оксида галлия существенно более стабильна, чем поверхность GaN. Даже при чрезвычайно высокодозном облучении шероховатость поверхности альфа-Ga2O3 практически не изменяется независимо от типа ионов. Свеллинг модифицируемого ионами слоя не превосходит нескольких нанометров и более ярко выражен для тяжелых атомарных ионов, чем для молекулярных с той же массой. Разработана графическая оболочка и набор специальных приложений, предназначенных для ознакомления и использования пакета LAMMPS. Такой подход особенно полезен для новых пользователей, поскольку предоставляет им интуитивный графический интерфейс с богатым набором подсказок на основе файлов описания среды. Реализован рекурсивно-итерационный алгоритм поиска пороговой энергии смещения атомов, на основе нескольких других методов: метод определения дефектов по Вороному-Дирихле, бинарный поиск значений, моделирование методом молекулярной динамики. МД моделирование проводилось с помощью свободно распространяемого пакета LAMMPS. Проведена верификация работы алгоритма на примере поиска пороговой энергии смещения атомов кремния. Разработан набор масштабируемых и автоматизированных методов анализа свойств мишени после воздействия ускоренного иона.