원기사4차

SRIM을 이용한 조사손상량(dpa) 계산

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SRIM 개요

Stopping and Range of Ions in Materials (SRIM)은 재료 내에 이온 주입 및 이온 조사 공정에 관련된 공정변수를 계산하기 위하여 널리 사용되는 Monte Carlo 전산모사 코드이다 [1]. 이 코드를 이용하여 이온 조사에 따른 조사손상량, 즉 displacements per atom(dpa)를 계산할 수 있다. 조사손상 분야에서 dpa는 초기 조사손상량에 대한 표준 단위로 널리 사용되기 때문에, 이온 빔을 조사 손상에 도입하는 연구자들에게 SRIM의 사용법을 아는 것은 필요하다. 본 문서에서는 SRIM을 이용하여 Fe이온을 조사했을 때, 스테인리스강의 조사손상량을 계산하는 과정에 대하여 자세히 기술하였다.

SRIM 설치

SRIM은 한글 윈도우XP에서는 언어 문제로 인하여 정상적으로 작동하지 않는다. 이를 해결하기 위해서는 영문판 윈도우XP가 설치된 컴퓨터에서 작동시키거나, 윈도우7에서 국가/언어를 미국 등으로 변경하는 방법, 또는 한글화를 시킨 SRIM Korea를 이용하여 작동시켜야 한다. SRIM Korea의 경우, SRIM-2003 버전까지만 지원하기 때문에 최신 버전인 SRIM-2008 또는 SRIM-2013 등을 사용할 수 없다. 본 문서에서는 VMware 가상머신을 이용하여 윈도우 XP 영문판이 설치하고, SRIM-2013 Professional을 설치하여 사용하였다. SRIM-2013 Professional 버전은 SRIM을 통하여 계산된 example 자료가 추가된 버전으로 SRIM-2013 Standard 버전과 계산상 차이는 없다. 가상머신의 설치 및 SRIM-2013의 설치에 대해서는 관련 웹사이트를 참조하기 바란다.

SRIM 실행

그림 1은 SRIM을 최초로 실행했을 때 보이는 화면이다. 각 박스를 실행하면 해당 기능이 수행되고, 각 기능에 옆에 존재하는 ?를 클릭하면 해당 설명을 확인할 수 있다. 이온조사에 의한 손상량 계산을 위해서는 TRIM Calculation을 클릭한다.

그림 1. SRIM을 최초로 실행한 화면

그림 2에 TRIM setup window를 나타내었다. 빨간 줄을 경계로 세 영역으로 나뉘어 주요 변수를 설정할 수 있다.

그림 2. TRIM Setup window의 초기화면

Ion source 설정

ION DATA 박스 옆에 있는 에 PT 버튼을 클릭 한 후 Fe를 선택한다.
Energy (keV)를 8000(8 MeV)로 설정한다.
DAMAGE 박스의 값이 Ion Distribution and Quick Calculation of Damage임을 확인한다. Ion damage를 계산하기 위해서는 Quick calculation과 Full calculation으로 계산할 수 있으나, 다결정 구조재료의 조사손상계산을 위해서는 Quick calculation이 더 정확하다는 연구 결과가 있다 [2]. 자세한 내용은 관련 논문을 확인하기 바란다.
Basic Plots는 초기값인 Ion Distribution with Recoils projected on Y-Plane임을 확인한다.

Target 설정

Compound Dictionary를 클릭한다.
METAL ALLOYS 밑에 Stainless-Steel (typical)을 선택하여 Add to Current Layer를 클릭하고 Close로 닫는다.
첫 번째 Layer가 Stainless Steel로 바뀐 것을 확인하고 Width를 100 um로 설정한다.
창 우측의 조성정보에서 Atom Stoich를 시편 조성에 맞게 변환한다 (Cr:17.8, Fe: 70.6, Ni: 11.6).
Damage (eV) Disp (Displacement Energy of Atom)을 Cr, Fe, Ni 모두 40 eV로 변경한다. 이 값은 ASTM에서 다결정 재료에서 권장하는 값이다 [3].

Special Parameters 설정

조사되는 이온의 숫자인 Total Number of Ions를 설정한다. 이는 실제 조사된 양이 아니라, 전산모사에서 고려되는 이온의 개수이다. 계산 시간을 줄이기 위해서는 10000 정도의 값으로 줄일 수 있다. 하지만, 숫자를 높일수록 통계적으로 더 신뢰성 있는 값을 얻을 수 있다. 본 계산에서는 초기값인 99999를 이용하였다 (컴퓨터 성능에 따라서 8시간 정도 걸린다).
Monte Carlo 전산모사에서 발생하는 난수의 순서를 일정하게 하려면 Random Number Seed를 설정한다. 본 전산모사에서는 예시로 1을 선택하였다. 이 값은 선택하지 않아도 무방하다.
Plotting Window Depths를 50000Å으로 설정한다. 이는 작동중의 그림의 표를 나타내기 위한 것으로 계산 도중 변경이 가능하다.

모든 셋업이 완료된 화면은 그림 3과 같다.

그림 3. 이온조사 세팅이 완료된 TRIM Setup Window

계산 수행

Save Input & Run TRIM 버튼으로 계산을 수행한다. 그림 4와 같은 화면이 나타나며 계산이 시작된다.
계산 도중 변수를 수정할 경우, Pause TRIM 후에 Change TRIM 버튼을 클릭하여 해당 변수를 수정한다.
계산이 완료되면, Store in SRIM directory (default)를 클릭하여 저장한다.

그림 4. SRIM 계산인 진행중인 화면

결과 확인

좌측에 DISTRIBUTIONS 창에서 Ion Distribution Plot을 체크하면, Fe 이온이 Target 재료에 깊이에 따라 축적된 profile을 구할 수 있다 (그림 5). 이에 대한 구체적인 수치를 확인하여 저장하려면 Ion/Recoil Distribution의 F를 클릭하여 RANGE.txt 파일을 저장한다.

그림 5. Ion Distribution을 선택하여 나타난 ION RANGES 그래프

조사손상량은 Damage Events Plot을 통하여 확인할 수 있다. F 버튼을 클릭하면 VACANCY.txt와 NOVAC.txt로 값이 저장된다. VACANCY.txt 파일에서는 ions 및 recoils에 의하여 발생하는 공공의 양이 나타나 있으며, NOVAC.txt에는 replacment collision에 대한 정보가 나타나 있다. Quick calculation의 경우, NOVAC.txt에는 값이 없다. VACANCY.txt의 값에 단위변환을 하면, 조사량에 따른 dpa를 계산할 수 있다.

그림 6. Damage Events를 클릭하여 나타난 COLLISION EVENTS 그래프

SRIM 결과 정리

Ion implantation 계산

그림 7에 RANGE.txt가 나타나 있다. 이 파일을 엑셀 등으로 import한 후 단위를 보정한다. Fe ion distribution 단위는 (atoms/cm³) / (atoms/cm²)이므로, 실험 시간 동안 조사된 총 fluence (atoms/cm²)와 atom density (atoms/cm³)의 역수를 곱하게 되면, 실험시간 동안 조사 깊이에 따라 축적된 실제 Fe ion의 농도를 구할 수 있게 된다. 본 실험에서는 fluence = 5.6e15 atoms/cm² 그리고 atom density = 8.6e22 atoms/cm³ 로 계산하였다. 자세한 변환식은 아래에 나타나 있다.

그림 7. RANGE.txt 파일

DPA 계산

그림 8에 VACANCY.txt가 나타나 있다. 이 파일을 엑셀 등으로 import한 후, 총 fluence (5.6e15 ions/cm²)와 타겟의 atom density (8.60 e22 atoms/cm³)을 이용하여 아래와 같이 단위를 보정한다.

Total vacancies = VACANCIES by IONS + VACANCIES by RECOILS

그림 8. VACANCY.txt 파일

최종적으로 계산 완료된 그래프를 그림 9에 나타내었다.

그림 9. SRIM으로 계산된 dpa와 Fe 이온의 분포

참고문헌

J.F. Ziegler et al., The Stopping and Range of Ions in Matter, Pergamon Press, 1985.
R.E. Stoller et al., Nucl. Instrum. Meth. B, 310 (2013) 75-80.
ASTM E521-96, “Standard Practice for Neutron Radiation Damage Simulation by Charged-Particle Irradiation”.