ASIM：用于多维材料离子辐照的原子尺度模拟框架

《Computer Physics Communications》：ASIM: An atomic-scale simulation framework for ion irradiation on multi-dimensional materials

　　

随着离子辐照技术日益从三维（3D）块体目标扩展到低维纳米材料，开发一种能够有效模拟不同维度材料离子辐照的工具的需求日益增长。在此，我们提出了一种通用框架 ASIM（物质离子辐照原子尺度模拟），旨在实现对多维系统的完整级联离子辐照模拟，涵盖从微米级 3D 块体到纳米级二维（2D）、一维（1D）和零维（0D）结构及其组合几何形状。基于二体碰撞近似（BCA），ASIM 描述了核阻止和电子阻止，同时也明确包含了同时碰撞。重要的是，ASIM 通过模块化设计提供了高度的灵活性，允许可变位移阈值和定制化的辐照条件。通过与现有实验结果和分子动力学计算的系统性比较，验证了 ASIM 的预测准确性，内容涉及各种入射离子对硅、自由站立/支撑石墨烯、碳纳米管和富勒烯的辐照，结果显示高度一致。我们期待开发的框架为解释、优化和设计新兴纳米材料和器件中辐照驱动的缺陷工程策略提供一个具有吸引力且多功能的平台。

程序名称：ASIM
CPC 库程序文件链接：
许可规定：GPLv2
编程语言：Julia
补充材料：补充材料已提供。
问题性质：一种用于多维材料离子辐照模拟的综合框架；计算每次碰撞的能量传递；处理纳米到微米尺度的材料；描述复杂的辐照场景。
解决方法：核阻止基于 BCA 求解，电子阻止基于半经验模型；明确包含同时碰撞；加载目标原子时可使用静态或动态模式；框架采用模块化设计，具有高灵活性，能够描述各种场景。

离子辐照技术，如离子注入，一直作为半导体行业的基石，例如在硅（Si）基场效应晶体管（FET）中 [1,2]。与基于扩散的工艺不同，离子注入通过独立调节入射离子能量和注量，提供了对掺杂剂深度和浓度的优越控制，这已被广泛应用于材料性质修饰和集成电路的缩放 [3,4]。标准应用范围从平面互补金属氧化物半导体（CMOS）器件中浅结的形成，到现代三维（3D）架构（如 FinFETs [5,6]）中所需的更复杂共形掺杂。同时，高剂量离子辐照实现了先进器件制造，最显著的是用于制备绝缘体上硅（SOI）晶片的“智能切割”工艺 [7,8]。此外，离子辐照也广泛应用于核级和空间级电子器件的抗辐射测试 [9,10]。

随着电子/光电子器件的小型化，材料科学的版图在过去几年中迅速从 3D 块体扩展到低维系统。代表性例子包括二维（2D）材料，包括但不限于石墨烯、六方氮化硼（h-BN）、过渡金属二硫族化合物（TMDs）和 MXenes，一维（1D）结构如碳纳米管（CNTs）、纳米线和纳米带，以及零维（0D）结构如富勒烯、纳米团簇和量子点。这些系统表现出由量子限域控制的非凡电子、光学和机械特性，无法从 3D 块体对应物的性质中插值得到 [[11], [12], [13], [14]]。在这种纳米尺度范围内，离子辐照的作用应从原子尺度而非宏观尺度来理解 [[15], [16], [17], [18]]。最近的进展表明，聚焦离子束（FIB）在执行以前无法触及的精确任务方面具有独特潜力：制造用于下一代 DNA 测序 [19] 或分子过滤 [20] 的纳米孔，通过可控缺陷生成调节纳米材料的电子性质 [[21], [22], [23]]，以及确定性地产生单缺陷或植入单原子以创建量子发射器 [24]。这些成就要求对离子 - 固体相互作用有颗粒状的理解，因为在原子级薄层中，缺陷配置的微小差异可能会导致物理性能和器件性能的显著差异。例如，在基于纳米孔的 DNA 测序中，辐照产生的孔的精确边缘形态临界决定了测量的电流信号 [19]。

尽管离子辐照技术已实施数十年，但捕捉辐照过程的完整动力学并在原子尺度理解辐照响应的基本机制仍然是一个巨大的挑战 [16]。实验方法通常依赖于大量的试错，成本高且重现性差。例如，包括透射电子显微镜（TEM）和二次离子质谱（SIMS）[25] 在内的表征技术本质上是事后性的，难以捕捉碰撞级联的实时动态演化。因此，理论建模变得不可或缺。迄今为止，已采用各种方法来模拟不同材料系统的离子辐照。从头算分子动力学（AIMD）依赖于密度泛函理论（DFT）进行能量和力计算，提供高精度但计算上限于小系统（约 100 个原子）和皮秒时间尺度。它最适合单次位移/敲击事件，因此已被用于确定位移阈值能量 [26,27]，而不是模拟完整的碰撞级联或连续辐照。通过利用高效的经验原子间势来描述原子相互作用，经典分子动力学（MD）扩展更为有利，并成功阐明了特定场景下的缺陷产生机制，包括对自由站立/支撑 2D 材料的离子辐照 [23,[28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35]] 或块体材料中高能初级反冲原子（PKA）引起的级联 [9,36]。然而，当需要数千次重复运行和大辐照注量以获得具有统计显著性的结果时，MD 仍然计算上难以承受。此外，对于离子注入微米级 3D 块体目标，涉及的原子数量可能超过 10^9，使得能量高于约 100 keV 的甚至单次 MD 运行都不可行。此外，由于开发可靠的经验原子间势相当耗时，现有的势函数仅覆盖有限的元素组合集，这限制了 MD 在广泛材料中的适用性。

为了解决这些可扩展性限制，二体碰撞近似（BCA）已成为离子辐照模拟的一种有效且计算高效的方法。通过将离子 - 材料相互作用近似为一系列独立的二体碰撞，并采用位移阈值能量（Ed）来决定晶格原子是否被位移，BCA 方法大大简化了潜在的许多体动力学并显著减少了计算时间，从而能够快速模拟现实的材料目标和高频重复的辐照过程。历史上，在 3D 块体材料中，辐照模拟的主要目标一直集中在离子和损伤的空间分布上。许多 BCA 代码被开发以满足这一需求。基于非晶材料假设和蒙特卡洛目标搜索算法的代码，如 SRIM [37]/TRIM [38], TRIDYN [39], 和 IM3D [40]/TRI3DYN [41], 已成功再现了充分大入射角下的注入深度分布，但它们本质上忽略了晶体格子效应，如通道效应和各向异性位移。相比之下，基于晶体的 BCA 代码如 MARLOWE [42], IMSIL [43], 和 Crystal-TRIM [44] 明确考虑了晶格结构，但主要针对特定的块体晶体（例如 Si, SiC），不易扩展到低维系统，在低维系统中辐照引起的缺陷的精细结构在确定物理性质方面起着至关重要的作用。此外，由于这些代码通常通过固定的输入选项而不是可编程接口控制，用户难以描述真实的辐照条件，如方向或环境相关的位移能量标准。最近，介绍了一种专门的 Python 代码 I2DM [45,46]，用于 2D 材料的离子辐照，能够准确有效地建模石墨烯和 MoS2 [47,48] 等 2D 结构中辐照引起的缺陷形成，但其对孤立平面层的关注限制了其广泛适用于更广泛的低维材料。例如，在支撑 2D 系统中，底层基底可能会引入大量的背散射和二次反冲，这可能显著影响覆盖层中的缺陷产生。此外，对于像 CNTs 这样的 1D 纳米结构，Ed 强烈依赖于位移方向，因此均匀 Ed 的假设可能会失去预测准确性。

在本贡献中，我们提出了一种通用框架 ASIM（物质离子辐照原子尺度模拟），这是一个用高性能 Julia 语言 [49] 开发的开源基于 BCA 的模拟平台。引人注目的是，ASIM 在满足处理真实尺度系统需求的同时，保持了离子辐照下结构演化的原子级分辨描述，能够跨多维材料进行模拟。得益于 Julia 的现代设计和易用性，ASIM 被构建为一个高度灵活的平台，用户可通过简要的 Julia 函数自定义辐照条件或位移阈值规则。ASIM 的预测准确性已在离子辐照下的多维材料中得到验证。对于 3D 目标，模拟的 Si 中 B 掺杂剂的离子深度分布在各种辐照条件下与现有的 SIMS 测量结果高度一致；对于低维场景，包括 2D 自由站立和支撑石墨烯、h-BN、1D CNT 以及 0D 富勒烯，ASIM 输出的缺陷产额与 MD 模拟接近。这些特性使 ASIM 成为模拟多维材料离子辐照和设计/优化具有多种功能的电子纳米器件和组件操作性能的理想工具集。

ASIM 的架构
图 1 展示了开发的框架 ASIM 的整体工作流程，其中包括一个中央传输与级联求解器模块，三个输入模块（目标材料、参数和场景），以及一个输出模块（监控与输出）。给定用户定义的目标结构和辐照设置，ASIM 通过重复应用中央传输与级联求解器来进行辐照模拟，该求解器更新目标状态，直到达到期望的离子注量 Φ。围绕此

示例与验证
为了评估 ASIM 的准确性，我们将框架应用于各种辐照条件下的不同维度的目标材料。作为典型探针，我们首先检查晶体 Si 的离子注入，将获得的离子射程分布与现有的实验数据进行比较。然后，研究了低维目标的辐照，包括自由站立和支撑石墨烯、h-BN、CNT 和 C60 富勒烯（见补充材料第 4 节）。

结论
总之，我们开发了一种基于 BCA 的通用框架 ASIM，用于高效模拟多维材料的离子辐照。ASIM 提供了一个综合平台，用户可以在其中无缝地进行各种辐照条件下的模拟。ASIM 的一个关键优势在于其高度的灵活性，允许实施用户可编程规则，如环境相关和各向异性位移阈值 Ed，这对于准确预测缺陷

CRediT 作者贡献声明
Ke Xu：写作 – 初稿，可视化，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理。Wenjin Gao：可视化，验证，方法论，形式分析。Guang-Hong Lu：方法论，形式分析。Miao Zhou：写作 – 审查与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，形式分析，概念化。

Ke Xu|Wenjin Gao|Guang-Hong Lu|Miao Zhou
北京航空航天大学杭州国际创新研究院，中国杭州 311115