The low energy ion assisted control of interfacial structure: ion ...

12
The low energy ion assisted control of interfacial structure: ion incident angle eects X.W. Zhou * , H.N.G. Wadley Department of Materials Science and Engineering, School of Engineering and Applied Science, University of Virginia, Charlottesville, VA 22903-2442, USA Received 29 September 2000; accepted for publication 22 March 2001 Abstract It is dicult to maintain smooth unmixed interfaces during the vapor deposition of giant magnetoresistive multi- layers, especially as the number of layers is increased. Recent atomistic modeling of normal incident angle ion impacts with model Ni/Cu/Ni multilayer surfaces have indicated that low energy 3 eV) inert gas ion bombardment signi®cantly reduced the roughness of Cu on Ni interfaces without causing interlayer mixing. Higher ion energies 12 eV or above) were necessary to achieve similar smoothing of the Ni on Cu interface, but this was accompanied by extensive mixing between the surface Ni atoms and the underlying Cu atoms by an impact ion induced exchange mechanism. Here, molecular dynamics simulations have been used to explore the eect of varying the incident ion angle during 12 eV Ar and Xe ion bombardment of a model Ni on Cu surface. The results indicate that increasing the incident ion angle up to 70° reduced the probability of intermixing while retaining most of the surface ¯attening eect seen in the previous study. A low combination of interfacial roughness and intermixing was obtained for an incident ion angle of approximately 60°. The heavier Xe ions were found to transfer more momentum to the surface atoms than the lighter Ar ions, and resulted in signi®cantly more mixing at all angles of incidence. Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. Keywords: Molecular dynamics; Growth; Ion±solid interactions; Surface structure, morphology, roughness, and topography; Copper; Nickel; Metallic ®lms; Metal±metal interfaces 1. Introduction Multilayer structures with atomically sharp interfaces can exhibit technologically useful prop- erties not possessed by their component materi- als alone. For instance, giant magnetoresistance GMR) is observed when thin electrically con- ductive metal layers such as Cu) are sand-wiched between pairs of low coercivity ferromagnetic e.g., permalloy) layers [1±3]. The eect can be observed as a large 5±50%) change in resistance to the propagation of a small electric current through the layers when a magnetic ®eld is applied. It occurs because of a change in spin dependent electron scattering when the relative orientation of the magnetic moments in the ferromagnetic layers is changed [4±6]. These GMR materials are the basis for a number of magnetoelectronic devices in- cluding non-volatile magnetic random access memory and the read head sensor in hard disk drives [7±9]. Surface Science 487 2001) 159±170 www.elsevier.nl/locate/susc * Corresponding author. Tel.: +1-804-982-5672; fax: +1-804- 982-5677. E-mail address: [email protected] X.W. Zhou). 0039-6028/01/$ - see front matter Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII:S0039-602801)01088-3

Transcript of The low energy ion assisted control of interfacial structure: ion ...

Page 1: The low energy ion assisted control of interfacial structure: ion ...

��� ��� ���� ��� � � ��� ������� �� ����������� ������������ �������� ���� �����

���� ���� �� ������ �����

���������� ������� � ������� ��� ������������ ��� ����������� ��� ��� ��� �������� ���������� ��������� ���� ������ ��

�� ����� �!!�� ���

�������� ! "�#��$%�� &&&' ����#��� ��� #�%�������� (���� &&)

��������

*� � ��+���� �� $������� $���� ��$�,�� ��������� ����� ��� ��#�� ��#� ����� �� ���� $������� � ���� $����-

���� � � #������ � ��� ��$%�� �� ���� � ������ ��� ������ ���$� ��� $������ �� ���$�� �������� ���� ��� �$#���

���� $���� ��./�.�� $�������� ������ ���� ��������� ���� ��� ���� 01 �23 ����� � ��� %�$%���$��� ���4�����

������� ��� ������ �� /� �� �� ��������� ������� ��� �� ��������� $�,��� ����� ��� ������ 0) �2 �� �%���3

���� ���� �� �� ������� �$���� $������ �� ��� �� �� /� ���������� %�� ��� �� ����$#����� % �,��� ��� $�,��

%������ ��� ������ �� ���$ ��� ��� �������� /� ���$ % �� �$#��� ��� ������� �,����� $������ $� �����

$�������� ���$�� �$������� ���� %��� � �� �� �,#���� ��� ����� �� ����� ��� �������� ��� ���� ����� ) �2 5��

��� ��� ��� %�$%���$��� �� � $���� �� �� /� ������� ��� �� ��� �������� ���� ������ �� ��� �������� ��� ���� �# ��

6&� ������� ��� #��%�%���� �� �����$�,�� ����� �������� $� � �� ��� ������ 7������� ����� ��� �� ��� #������ ����

5 ��� ��$%������� �� ����������� ������ ��� �����$�,�� �� �%������ ��� �� �������� ��� ���� �� �##��,�$����

8&�� ��� ������� ��� ��� ���� ����� �� ���� ��� $��� $�$����$ �� ��� ������ ���$ ���� ��� ������ 5�� ��� � ���

�� ����� �� ���4����� $��� $�,�� �� ��� ���� �� ���������� � &&) 9� ����� "������ :�2� 5�� ���� �� ������

"��#���$ (�������� ���$�� ' ������' *��; ���� ����������� ' "������ ��������� $��#����� ������ � ��� ��#���#�' /�##��'

���<��' (������� 4�$ ' (����;$���� ���������

� ���� ������

(�������� �������� ���� ���$����� ���#��������� ��� �,��%�� ������������� � ���� #��#-����� ��� #� � �� % ����� ��$#����� $�����-�� ������ =�� �� ������ ���� $������� � �����0�(�3 � �% ����� ���� ���� ����������� ���-������� $���� ���� 0 ��� � /�3 ��� ���-������

%������ #��� �� ��� ��������� �����$������ 0����#��$����3 ���� >);1?� ��� ����� ��� %� �% ������ � ���� 0@;@&A3 ����� �� �� � ����� �� ���#��#������ �� � $��� �������� ������� ������ ������� ���� � $������ 4��� � �##����� *� ����� %���� � �� � ����� �� #�� ��#������ �������� �������� ���� ��� �������� ����������� �� ���$������ $�$��� �� ��� �����$������ ���� � ������ >B;8?� ��� � �(� $������� ��� ��� %� � ��� � ��$%�� �� $��������������� ������ ��-������ ���-�������� $������ �����$ ���� $�$�� ��� ��� ���� ���� �� �� �� ���� �� <����� >6;!?�

"������ "������ BC6 0 &&)3 )@!;)6&

������ ��������.������. � �

�/���� #����� ������� ����� D)-C&B-!C -@86 ' ��,� D)-C&B-

!C -@866�

� ��� �������$ ,EC�F����������� 0���� ����3�

&&1!-8& C.&).G - �� ����� $����� � &&) 9� ����� "������ :�2� 5�� ���� �� ������

H**� "&&1!-8& C 0&) 3&)&CC-1

Page 2: The low energy ion assisted control of interfacial structure: ion ...

:��� �,#���$����� ��� ����������� ����� ������������� ���� ��� #��#����� �� �(� $�������� ��� �� ����� �� ��� ���$�� ���� �������� �� ��������� � :���� � ��� ����<�� �� ���� ���� � $��� 0�#����� ������ & �5 ��� ��� �������������� >)? ��� 8& �5 ��� ��� $������ ���� >)&?3� ���%� � �(� #��#����� ��� �%������ ���� ��������� �� ��������� ��� ��� ���$���� $�,��%������ ���� ��� %��� $���$�E�� >))�) ?� 5����$����$�� ���� � ��������� ���� ��� � � ����� �% ����� ��$#������� ��� ��� ��#� ��������� ������ �� ��� �� ���� ���� $�������� ���� �������� ��������� 7�� >)1?� �� ����� �����$�,�� ����� ���� % ����$��� ������� ���� ���� �(�4�$ ��� � ���� ��$#� �� �� $������� #��� �������� $� ��%���� �# � ��� ��� ��#� ���� �� ���0���� �$%����3 ��$#������� >)B?� 9,#���$��� ���� ���� ���� ��� ����������� ������ ��� ��-������� $�,�� ��� ���� ��� �� ����� �� ��� ����-���� �����$ ���� >)@;)C?� ��� %� � #�����$�����(� 4�$ ��� �%������ � �� ��#�� ��#� ������##������ ��� � #�� $� �� ��� %��$ #����������� �� ��� �� $������� �������� $���� ���$ ����-�� �� � ��� �������� ���� >)@;)C?�

(�������� ���$�� 0(I3 �$������� �� �����#�� ��#� ����� �� $���� ��./�.�� $�������� ���� ��������� ���� ������ �� ��� �������� �����$���� ����� ��� ����������� ������ % #��$��<���<-�� �� ���$ �������� �� ������ � #������ >)!?� ������� ��� ��� �� � %� ����$#����� %��������� �����$�,�� % �� �$#��� ������� ���$���,����� $������ $� (I �� ��� ���� ���� ������� �#��$�$ 0 $���� �3 ��$%������� �� ����������������� ��� �����$�,�� ����� �� �� �����$�-����� �������� ���� �� ������ );1 �2 >)!?� "�$���� �$������� ���� ��������� ���� ��� ������� � - ������� ���� � ��� �����$ �������� ���� �� ��� �� �� ������ � �� %��� ����������� ������ ��������$�,�� > &?� "�% ����� �������� ��� ������ ��� ������� 0��� ����� ��� ����������� ������ 3����� ��� ���� ��� �%��J�� ���� ��#� �������������� > &?� 5��� � �� ��� �$������� ������ � ��� �� ��� #��#� ����� �� � $�������� ������#� ����� ����� ��� $���$�E�� ��� ��������������� ��� $�,�� >)!� &?� *� ��� �##��������� 0�&�) �23 �������� ������ ��� � �� �� ��#� ����� 4� � ��� $������� �� � ��� $������� ����0�����% ��$���� �����$�,��3 ��� ����� ������

0���� @ �23 ��� � �� ��� ��� ��$������ �� ��� ������ �� ��� �� 7���� � ��� �$������� ������������� $�������� ���� 7�� ��������� ��� ��$� � �������$�,�� ����� %� ���� ���� � ���� ���� ���������� ���� ���� �� ������� �% ����� ��������� �� ��� �##����� > &?�

I���� ��� ����� �� ���� 4�$ � �� � ���� <�������� ��� ����� ������ ��$� � ���� %���$� ������ � 4�$ ����<�� ������ � � ��� � � ������� � ��� � � ����� �� ������ ������ ����-�� ���� %���$� ����������� :���� � $������������ ��#� ����� ��� ��� %��$ � � ��� ��#� �-���� 0� �� ������ 5�� �� ��� ��� 3 ��� %��� %��� �� �$#��$����� �� �� ��� %��$ ��#� ����� ��$� ������ � �� ���� �� �� ���� ��� %��$��#� ����� #���� � ��� �(� $�������� ����-���� > )?� ��� �$#��$�������� �� �� ��� %��$� � ��� ��#� ����� ���$� ��J���� <������� ����� �$#��� ����� �� ��� ����������� �������� �� $�������� ������ � 5 ������ (I �$������� ����� � � ��� $�������� ����� ��������� ���� ��-������� 7������� ������� �����$�,�� ����� %��������� � �� � $�������� ��� ���� ��� � � -����� ����� > ?� 5 ������ �# (I ��� $��� ��$������� �,#����� ��� $������ $ % ��������$�� �������� ����� � ��� �$#��� ������� ������ $��#���� >)1� 1?� "�$������� �� ���$���������� ���� 5�� ��� ��� �$#��� ���� ���$���� ������ ��<� ��� � ����������� ����� ���>) ) )? ����� �� ��./�.�� $�������� ������������� ��� ������ �� ��� B;! �2 ���� ����� %� � ���� 7����� /� � #������ �� /� � ���� � �� � -#������ �� �� ������ > 1?� :���� � ��� 7��������� /� � #������ �� � �� ������ �������� �� ��������� %���� 1 �2 ����� $�,�� %������ ��� ������ /� ���$ ��� ��� �������� �� ���$ ��� %���$� ���4���� �� ��� ������ �%��� ! �2����$�� �������� ���� ��� � � ����� �� ��� 1;8 �2���� �##��� �� %� � ��%� � �##����� �� �������/� � #������ �� �� ������ � �������� �$���� ���� � ����� ������� �� ����� �� �,��� ��� $�,������ �� �� ��#� ���� �� �� �������� /� ��-����� ���� �� ��� ���� � 0�) �23 ��� ���� ���������� �� 7����� ��� �� �� /� ������� ��� ��- ����� � $$������� ����������� �������� ����$-#���� � #��$����.��##��.#��$���� ��#� ����� �J����� ���� %��� ������� �% ����� � �� �������$�� ����� 01I3 ���$ #��%� ������J�� > B?�

)8& %&'& (�)� *&+&,& '�� �� - �)���� ������� !./ 0���12 13�41/�

Page 3: The low energy ion assisted control of interfacial structure: ion ...

*�� �$#��� ������� 7������� ��� $�,�� ��� ������� ��� �J����� �� ��� ���� ��� �� $�$����$���$ �� �������� ��� �� ���$ ���� ��� �$#���#���� �� ��� ������� ��� ����� ��� �����������<�� �� ��#��� �#�� ��� ���� �� ��� �$#��������� ��� (I �##����� � �� �� ������� ����� �� %��� �,������ �� ���� ����� ��� ����� �� ����������� ���� ��� ) �2 5�� ��� ��� �$#��� ���� ��� #������ �� � 0) ) )3 /� �������

� ����������� �����

I����� �� ��� (I $���� ��� ����� ����� � ��� �$#��� ���� � $���� ������ ���� %��� ��- ���%�� �� ������� #�#�� >)1� 1?� :���7� � /�;������ �$%����� ���$ $����� #�������� ������#��% =���� > @? �� � �� �� ��������� ��� ����� %�-����� $���� ���$ � ��� � ������ �� #�������� > 8?�� � �� �� ��4�� ��� ����������� %������ ������ ��� ��� $���� ���$ � ��� ������� �� ��� %�������� �$#��� � ���� ������ �� =�� )� ��� ����� #����� ��� �� ��� 0����� �����3 � ��##��� *� ������� 6 0 �B3 #���� �� ��� 5 ���������� C 0) ) )3 #���� �� ��� � ���������� ��� B 0 � &3 #���� �� ��� 6���������� 5� ���� �� ���<�� #��$�� 0���<� �����3 �� ��� ������� �� ��� ��##�� ������ ��$�$�� ��� KK����LL ���<�� � ���� ��������� �� ��

�������� ��##�� �� ���� I���� ��� �$������� �� #������� %������ ��������� �� � �� �� ��� 5��� 6 ��������� � ��� ��� ���$ �� ��� ���$������� �� ��� %����$ 0�3 ������ ���� 4,�� ������� �J����%���$ #� ����� >)1� 1?� ��� ���$ ��-����� ����� $������� %���� ��� ��##�� ���������� ��� ������� �� � �% ����� ��$#������� �� 1&&M >)1� 1?� *�� ���� � <������ ���� �� ) �2 ����� �������� ����� �� ���� ��N����� ������ ��� ��#0�3 ������ �� ��� .# ���$ �����$ �������� ����%���� �� ���J��� ��4�� � 1I ��������� ���� � ���� ����� ��� �������� ��������� �� ��� ��������� ��� 5;� #���� 0 �� =�� )3� ��� ������ ����������� ���� ����<�� % ����� ��� ��� ���N������� ��%��� ��� ���$ ��� ��� �$#����� ��� � ��������L �J������ �� $������

� ������� ���������

�&1& ����� ��7�)������

"�$������� �� 5�� ��� ��� ��� �$#��� ���� �$���� ���� �� �� /� ������ ���� ��������� ���� ���� �� ��� �������� ���� � "������� ���$�����4������� �������� )@&& 5�� ��� ��� ����$#��� 0����� #����� �� � 7����� �� �&�@ ��� .�5 3 ��� ���� �� =� � ��� 1� �� #�������� =��

=�� )� /� ��� ��$��� � �� ��� ��� �$��������

%&'& (�)� *&+&,& '�� �� - �)���� ������� !./ 0���12 13�41/� )8)

Page 4: The low energy ion assisted control of interfacial structure: ion ...

0�3;0�3 �������� ���� $� � �� ��� #��$���� ��� ���� ���� ������� �� $������� �������� ) �2 5�� ��� �$#��� �� �������� ���� ��������$ &� �� 6&�� �������� =�� 0�3 ��� �������� �� ��� ���-#����� �� ��� ��� ���� ���� ��-

����� ���� ) �2 5�� ��� �$#��� ��� �� �$#������� �� C@� ��� %����� ������ ����� ) �2 5��

��� �$#��� ����� %� � �� �� 7����� ��� �� �� /� ������ ���� � ���� ��� ���� ���� %������ &� ���6&�� ��� 7������� ����� J���<� ��$��� ��� � ���

=�� � 9�������� �� �� � ���� �� �������� /� ����� ) �2 5�� ��� �$#��� �

)8 %&'& (�)� *&+&,& '�� �� - �)���� ������� !./ 0���12 13�41/�

Page 5: The low energy ion assisted control of interfacial structure: ion ...

��� ���� ������ �� �%��� 6&�� *� � �� � ������ ����� ���� ���� ��� �� $������� � ���� ���$������� ��� ��� ���� 0&;)@�3 ��� �$#��� ���� $����� ���� ��� � ���$�� ����� ����� ����0 ��� � 6&�3 �$#��� � ��� ��� � %���� � ��� ���-���� $�$����$ �� �%��J��� �������� ��� #��-

$���� � ������� $������� �� ��� ������ ���$ ������ ���������� �� ��N����� � ���� �

��� ����� �� ��� ��� �$#��� ���� J���� �$������ ��� � �� 5�� ��� �$#��� � =�� 10�3;0�3 ��� ���� ��� �� ��� ���-#����� �� � ���� ���� 7������������ ) �2 ��� ��� �$#��� �� ��� ���� %������

=�� 1� 9�������� �� �� � ���� �� �������� /� ����� ) �2 ��� ��� �$#��� �

%&'& (�)� *&+&,& '�� �� - �)���� ������� !./ 0���12 13�41/� )81

Page 6: The low energy ion assisted control of interfacial structure: ion ...

&� ��� 6&�� =�� 10�3 �������� ���� ��� �� ��� ��� ���� ��$����� ���-#����� �������� ) �2 ���

��� �$#��� �%��� �� ��� ���� �� C@�� ��� $����� $������� � ���� ��� �� ��� ��� ������������ 0=�� 10�3 ��� 0%33 ���� ���� �% ����� ������� �� ���� ���� $������� � ���� �� � ������ �������� ���� 0=�� 10�33� ��� �� � �����%��J�� ��� ���� ��� � � ����� $� �� � %� �#����� $��� ��� ���������� ��� ���� �E� ��#���� ������� 4�$ �

�&�& 8)������ �����������

=�� ��� �� �� /� ������ ������ ����� � ���-$���E�� ������ ������ � ��4��� � ��� ����-���� �� ���<�� ���$ ��$����� $��� ���� ���$������� �%��� ��� ��##�� ������� *$#��� $���� � ��� �������� ��##�� ���$ �� %� �N��������� ��� ������� �� ����� �� ��� ���$����� ���������� ��� ������� ������ ������ � "���� ���#��%�%���� ��� ��� ���$ �� %� �N����� �� ��� ��-��� $������� �%��� ��� ��##�� �� ��� � $������� ������ ��� �� ������ ������ ���� ��� ��-���� ��� ���$���E�� ������ #���$����� O������� ���������� ��� ���$���E�� ������ #���$�-��� $�� ��� ��� �,���� % ����� ����� ��$�� ����� ������ � #������ %���$� #����� ���4������� ���� ������ #���$���� �� ���������� ��� ���

�� ��� ��� #������ �� =�� B� *� ��� %� ��� ���� ��� ������ ������ �� ��������� ����#������ ����� ��� �������� ���� ���� � &;6@� ����� %�� ���� ������ �� ��#��� ������ � � ��� ���� �� ��-���� �� �%��� 6@�� ��� �������� ���� ��� 7�����-�� ����� �% ����� ������� ��� ���$�� ��� ���������> 1? � �������� ���� � ���� ���� �� ��� ���� �

� ��������� ������

!&1& ����� ��7�)������

=�� 0�3 ��� 0%3 �������� ���� �� ��� 0&;)@�3�������� ���� � ) �2 5�� �$#��� %��� �N�������� �������� /� ���$ ���� ��� ������ 0��������������� �� ��� /� ����3 ��� ��� � ������ �����$ �� %� �,������ ���� �������� /� ���$ �*� ��� %� ��� ���� %��� $������ $ ������%������ � ���4���� ��������� $�,�� �������� ��� ��-���������� *����� �� ��� 5�� ��� �������� ������ ����� �� � ������ � �� $�,��� :���� �� 5��

��� �������� ���� �� 6&�� �� $�,�� ����� %� �%- ����� 0=�� 0�3 ��� 0�33� 5 �$���� $�,�� #��-��$���� �� �� � ����� ����� ) �2 ��� �$#��� 0=�� 13� ��� �,���� �� $�,�� ��� �� % ��� ���

�$#��� �� ���4����� ����� ���� ���� ��� ��% 5�� �$#��� � � #������ �� ���� ���$�� 0&�3�������� ���� �

=�� B� "������ ������ � � �������� �� ��� �������� �����

)8B %&'& (�)� *&+&,& '�� �� - �)���� ������� !./ 0���12 13�41/�

Page 7: The low energy ion assisted control of interfacial structure: ion ...

!&�& 8)������ �����������

5 ���$���E�� $�,�� #���$���� �� ��4��� � ��� �������� �� ��� �� ������ ���$ ���� �����,������ ���� ��� �������� /� �� ��� �����)@&& ��� %�$%���$��� � ��� $�,�� #���$������ ���������� ��� ������ ��� �������� ���� � ������ �� ��� ��� ���� �� =�� @ ��� %��� ��� � *� ���%� ��� ���� ��� ���������� ��#������� �� $�,���#�� ��� ��� ���� � �$���� ��� %��� 5�� ��� ���

�$#��� � ��� $�,�� #��%�%���� �������� ������ ��� ��� ��� ���� �� ������ �� ���$ ���$�� ����-����� �� �%��� @�� ��� $�,�� #��%�%���� ���������� �� ���� ��� ���� ����� �� ������� � �����$�,�$�$ �� �%��� )@�� ����������� ��� $�,��#��%�%���� ��#��� ������ �� ���� ��� ������������� 5� ��� ���� �%��� @&� ��� ���� ��� C&���� ,����� $�,�� �� � ������� �����%��� ���

��� �$#��� �� ����� �� ���4����� $��� $�,������ ��� ������ ��� �������� ���� �����

� ����������

"�$������� �� ) �2 ��� �$#��� �������� ����5�� ��� ��� ��� ��� �$���� ����� �� ������ $������� =�������� �� ��� �� �� /� ������ � #� �%�� ���� � ���� ���� �� �$#��� ���� %������

&� ��� 6@� ���� ������ ��� � �������� ��� 7�����-�� ����� J���<� �� �##����� � ��� �������� ������ ��� �� �%��� 6@�� *� �� %��� ���� ���� ��-���$ �$#����� � 7�� ������ �� �%��J�� ������������ ��� %� ��7����� ��$� � ��� ������� ���� ��-$� � �� ���� ���� ������ �� ��� ������ ����� ��� � ��7������ ����� > 6?� �� �,#���� ��� �������� ��� ����� ��-���$�� �������� ���� ��� �$-#��� � ��� ������ ���� ���� ������ �� ��� ������#�� ��� �$#��� �� ���������� 0���$ ��� ������������� �� ��� �������� ��� ��7����� ��� 3 ��� ���)@&& ��� �$#��� ���� ��� �� �� /� ������� ����� ��� �� ��� ����������� ��� ���� �� =�� 80� �� $%�� ��� ���� ���� 3� *� ��� %� ��� ��=�� 8 ���� ��� ���� ������ ���� ������ �� ��#������� ��� �������� ����� ��� ���� ��� ������� ���

��� ���� ������ $��� �� ����� ���� ���� 5��

��� 0� #������ �� ����� ��� ���� 3� =�� �� �������� 5�� ��� ���� ������ �%��� C �2 ����� � ��� ������� ������ �%��� )& �2 �� ��� ���$�� ���������������� ��� 5�� ��� ��� ��� ���� ������ ����%��� ) �2 �� �� �������� ���� �� 6@��

��� %������� ��� %� J����������� �� ���%�� %� �$#�� ���-#������� ����� ��� $���� ���� �� =��6� "�##� � ���� �� ��� ���� � $� � ������� ����� #��� �� ��� ������ ���� � $� �� � ����� ����$#��� �� �� �������� ���� �� �� ��� ����� ������� %����� �$#���� �� ��� %� #���������� ����

=�� @� (�,�� � � �������� �� ��� �������� �����

%&'& (�)� *&+&,& '�� �� - �)���� ������� !./ 0���12 13�41/� )8@

Page 8: The low energy ion assisted control of interfacial structure: ion ...

��� #��� >� �� ��� ��� � ����� ?� ������� �� ���$�$����$ ��$#����� �� ��� �������� ��� ����-E����� ��������� �� #�������� :���� � ��� �������� ��� �� ��� ������ �� ��� $���� ���$ ����������� $�$����$ ��$#������ ��� ���� ���� -��� ��� �� ��� ����E����� $�$����$ ��$#�������� %� ������� �� ��� � �� � 4� � ����� �##��,�-$������ *� ��� ������ $������� �� ��� E��� �� ��-��������� 0���� $� �3 � �������� ��������� ������� ���� ���� ��� ��� �� ��� �������� $�$����$� �$#� �� � �B�������� �� �� ��� � : 4�-

��� �� (I �� ��� � ��� �� �%������ �� %� 1�C ��� 5�� ��� ��� )�!@ ��� ��� ���� ��� 4���� ����� ��� ���� � ��� �� � ���� �� =�� 8� I� #��� �� ����##��,�$����� ���� � � ����#������ �� ��� ��-������ ���� ��� ��� ������� $�$����$ ���� ��� � ������� ��� KK���-#�������LL ����� ��� $���� ��#-���� ��� ����� ��� �� ��� (I �� ��� � :���� � ������$�� $� 0�3 ��� 5�� ��� ��� ��� � B& ���) ! �$� �� #�������� ��� KK���-#�������LL ����� ���$���� #�������� ���� $���� $� � 0�3 �� )@1 ��� @ �$� ���������� ���� 5�� ��� ��� ��� ��-

=�� 6� ���-#������� ����� ��� $���� ��� ��� ������ ������������

=�� 8� 5����� ���� ���� ������ #�� ��� �$#��� � � �������� �� ��� �������� ����� ��� �� � ���� ��� 4���� ����� �� ��� ���-#�������

����� ��� $����� ����� ��� � 1�C ��� 5�� ��� ��� )�!@ ��� ��� ����

)88 %&'& (�)� *&+&,& '�� �� - �)���� ������� !./ 0���12 13�41/�

Page 9: The low energy ion assisted control of interfacial structure: ion ...

#�������� 5 ��� ���$�� $� � ��� /� ��� �����$ ��� 8B ��� @! �$� �� #�������� ��� 5�� ����$#��� �##��� �� ���� ���������� ���� �%��� ��� ������ ���$ ����� ��� ������� ��� ��� �����-����� ���� �%��� 4�� ������ ���$ � ��� ���4-���� ���� ������ ���� � �� ���������� �� �����$#��� %������ ��� ��� ��� ������ � ���� � ���������� ��� ��� 7������� �% ����� �� ��� ������� %���� 6@�� 5 ��� ��� ���� �� ������ ���%��� C&�� �� ��� %� ��� ���� ��� ���� ������ ��-�� J���<� ���##�� �� E��� ��� ��� ��� ��� ��-7������ �� ��� %���$� ��$������ �� ����� �� ��� �� 7��������

(�,�� �� 4� � ������ �� � ��� ��� ������������ �� ��� �� ���$ &� �� �%��� @� 0=�� @3� ���$�,�� ���� ������ �� ���� ��� ���� ����� ��������� � ����� $�,�$�$ �� )@�� ����������� $�,-

�� ��������� � ������ �� � ��� ��� ���� �� ������ �� ���$ )@� �� !&�� �� $��� ������ ������ � ��$� ��# � �� ��� ���� �,�$����� "���� �����$ ���� #����� �� ��� ������ �� � /� �� ��������-�� ����� ��� %������ ) �2 ��� ��� ������ �� ���$ ���� ���� �$������� "��# ��� ����� �� ��� � ���� � � I #��N������ �� ��� ���0 � &3 ���$�� $������� ���� ��� �$#��� #������� ���� �� =�� C0�3;0�3 � � �������� �� ��$��=�� ������� ��� #��� �� ��� �� ��� � �� #����� ��%����� �% ���� ��� ���N����� �� ���������� ���$ � �$� ���$ �� ��� #��N������ ��� $��<�� ���� 0�3�0 3� ��� 0�3 $%�� � =�� C0�3 ��� ���� ) �2��� ��� �$#��� ���� ���� �� ���$ �� ���� ����-���� ���� � &�� @�� )@�� ��� 8&�� *� ��� I #��-N������� ��� �������� ��������� ��� $��<�� ������ � ���� � ��� ����� �� ���$ ���� ���� �$#�����

=�� C� 5��$�� �,����� #���� � ����� ��� �$#��� �� �������� ��� �������� ���� �

%&'& (�)� *&+&,& '�� �� - �)���� ������� !./ 0���12 13�41/� )86

Page 10: The low energy ion assisted control of interfacial structure: ion ...

�� ���� �� &�� @�� ��� )@� ��� ��� �� =�� C0%3 ������ ��� #��������� ���� ��� �������� /� �� ��������� &�1 # �� �$#��� ����������� �������� ����� �� ���$ �� �$#����� % �� ��� �� 8&�� �� �� �% ����� �� $����� �� ��� /� ������ % � $���������� �� ����� �� ��� ��������� �� ��� ����������P% �������� �� ��� I #��N������ �������� ��������� ���$�� �������� ��� �$#���� �� #������������������ ���� ��� ���$ $��<�� % 0�3 �� #� ��������� ��� �������� �� ��� �������� P� ��� ���������� ��� ������� $�$����$ �� ��� �������� ��� ����� @� ��� )@� �������� ���� �� ���� ������ ����� �� ���$ � ����� �� ���� �� ���� ������ �� ���0�3 ���$ � 5 � �� ���� �� �������� $���$����� ��� ��� ��� 0�3 ���$ � :���� � ��� ������������ ���� ���� ������ ��� ������ �� ��� �� ���$�� �%��� ��� ������ �� ��� ����� � /� ���$ 0 ��=�� C0�33� �� �� #���������� �������� �� ��� 8&���� �������� �����

5� &�@ # 0=�� C0�33 ��� ������� $�$����$ ��-J����� % ��� 0�3 ���$ ����� ��� @� ��� )@� ����$#��� ��� ���� ������ �� ��� 0�3 ���$ � ��� ��- ����� �� ��� 0�3 ���$ %��� �N����� ���� ��� ������� ��� 0�3 ���$ ��<�� ��� ������� ��� ����� 0�3 ���$ � ��� ��� �� ���$ ����#�� ���������� ��� �� ��� 0�3 ���$ � ���� =�� � ���$����� ���������� ��� 0�3 ���$ ������ �� %����� %��<�%�� ��� �,����� ��� ��� %��� ����$#�� ��� %��� ��$�� 5� � ����� ��$� �� )�& # 0=�� C0�33 ��� 0�3���$ ��� ���� %������ %��< �+������ �� �������� 0�3 ���$ �� %� �N����� ���� ��� ������� I������� #���� � ��� 0�3 ���$ ����#��� ��� ������� ����� ��� �� ���$� ��� �� ���$ ���< ��� ������� ����� ��� 0�3 ���$� ��� ��� 0�3 ���$ ��$� �� �� � ����� ������� 0�3 ���$ ����

=��$ ��� ���� � �� ���%�� �%���� �� ��� %� ��� ���� �� �� �����$������ ��� �������� ����0 ��� � )@�3� ��� #��%�%���� �� ���$�� �,����� � ��� %���� � ��� �������� ���� #���� �� � ��� ��-�� ������� ������� 0%������ ��� 0�3 ��� 0 3 ���$ �� =�� C0�33 ��� ��� ������� $�$����$ ���� ������������� ��� �% �J���� ���$�� N�$# �� � ��-������� �� ��� �,������ ��� �,����� #��%�%����$� %� ������� �� ���� ���$�� ��� ��������� %�-��� � ������ �� ������� $�$����$ � ������%�� ����� �������� ���� $� ���� ���� � ������ ���������������� 0 ��� � #������ �� ��� ������ �� ��� 0 3���$ �� =�� C0�33 ����� ����%�� ��� ������� #���-

������� ��� ��� �% �J���� ���$�� �,������ ����,����� #��%�%���� ��������� � ������ � � ������� ������ � �%��� )@� %���� � �� � ���������� ����� �� �� #���������� ���� ��� /� ������� ���� $������� �� ��� /� ������� ��� � ��� � �������� ��� 4���� �� =�� @ ���� $�,�� �� � $�,-�$�$ �� �� ��� ���� �� �%��� )@�� ��� ������������� � ������ �� �� E��� �� !&�� *� � �� ���� � ���� ���� ��� 4���� �� =�� 8 ���� ��� ������� ������ ���� ������ �� ���� ��� ����� :�-��� � ��� ���� ������ $��� ���� ��� �������������� $��� ������ ���$ ���� 5��� ��� �,���� ��$�,�� ���$�� ����� ��� �$#��� � �,#����� ��%� ����� ���� ���� ���$�� ����� 5�� �$#��� �

�� �� �� � ��� ���� ��� � � ��� ��#� �����#���� ��� � $�������� $������� ��$� ��� ����� �� $������� #��#����� �#�� ������ ��� $�,��$� � %� ����� ����� I������� ���� � ������������� � ��� ���� ��� ���� �� ��� ���$ ���$����� ���-#����� � ���� � ������ �� �� ��� ���� ������� �� ��� �������� ���$ � ������ ��� ������ ���� ��J����� �� 7����� ��� ���-#����� �������� � ������ ��� =�� �� ������ ��� ���� ��������� �� ��##�� ��� ���<�� ��� 1�@B ��� B�B@ �2�� #������� > @?� ��� ��� ���� ��J����� �� 7�������##�� �� ��##�� ��� ��� ��##�� �� ���<�� ��-���� � ���4����� ����� ���� ���� ��J����� ��7����� ��� ���<�� �� ���<�� ��� ��� ���<�� ����##�� ������ > 1?� I���� ��#� ����� �� ��������##�� �� ���<��� ��� ��� ���� ��� $�������� ������ 7������� � ����� �� ��� �% ������ $���-���� � ���<�� ������ ���� ��##�� > 1?�

��� ���� ��� ���� ����� ��� %� �� �� ��-��� ����� ��� ���� ��� ���� �� ��� ����������$ � ������� �� ��� ���� ��J����� �� %���<����� %��� ���� ��� ���-#����� ���4�������� ������ ���� ��� ���� �� ��� �������� ���$ ���-���%��� �� ��� ���� ���� ��� %� ������� %���$�� ��� %��� ���� ��� �������� ���������� ��$%������� �� ��� ���� ��� ������ �����$ �� ��� ������� ��� �������� �� ��� ����$�� ��� ��� ���� ����� �� � ������� ���� ���7�������� ��� ���� ��������� %������ � ���-#����� ��� � #����� ������ ��� ��� ��$#� �� ����� ���$ �� %��� � �� �� J������ ��� ��������� ����� ��� 7������� > 1?� ��� ����� �� ����� ������ ������ �������� ��� �$#��� ������ � %��� ���������� ��� ��� ���� �������� ������

)8C %&'& (�)� *&+&,& '�� �� - �)���� ������� !./ 0���12 13�41/�

Page 11: The low energy ion assisted control of interfacial structure: ion ...

�� ��� /�;�� ��� ��� 5;5� ��$ > 1?� :� ���#�� ��� � ����������� � ��� �� ��#������� �� ��� ������ ������ ����� )@&& 5� ��� �$#��� �����$�� ��������� �� �%������� ��� ��� �� ��� ��� ���� �� =�� !� *� ��� %� ��� ���$ =�� ! ���� ���$� � ������ � 7������� ������ ��� ����� ��� � %���� � 7������� ���� �� ��� �� �,��� %������$������ ��� �� �� /� ������ � �� �,��#�������� 7������� �� ��� �� �� /� ������ ����� ��-J���� �$� �� ��� ���<��;���<�� %��� �� %� %��<���# �� ���$ ��� ��##��;���<�� %��� � :���� � ���%����� ���� %������ ���<��;���<�� ���$ � $��� ����� 0����� ������� �����3 ���� ���� %�-����� ���<��;��##�� ���$ � ��� ���� ������������ �� ��� �,��� %��� ���$����� ������ ��$#��- ��� ��� ���� ������ � ��� �� ��� ����� �� ���%��� �#� � 5 � �� ���� ��� 7������� �� ��� ���<���� ��##�� ������ � � ������� ���� �� ���������� �� ��������� ����� ���� ��� ���� ���$ �� � ����� ���� ��� ���� ������� ��� � ��� /��� �� ��� ��� 5 �� 5�� ��� ��� �� ���� ������� � ���� ������ � ����� ��� 7�������� =��! �������� ���� �� ������� ��� ������ ������ ����� �� ��� $������� ��$ ���� ��� ��� P���,��#���� �� ��� � ��� �� �� �� ������ ����� �� � ���� ������� ����� �� ��� %�� �� �� �%���-$��� ��� ������ ������ ����� ��� �$#��� � *�

�� ����� ���� ��� ����� %����� �� ��� ��� � � ������� ���� � %� ���� %������ ����� ������� �� 7�� ���� ����� > 1?� /�� �J������ ��� ���� �� ������ ��$����� ���� ����� ��� ��� �$-#��� �

I���� ��� �$#���� $�,�� ����� ����� ������� �� ��� �� � ������ ���$ #��������� �� ��-������ ������� ��� ��� �� ��� �N������ �� �� ��-������ ���$ ���� ��� ������� 5 � �� ���� ���������� $�,�� � �� ����� �� ��� #���� �� ����������� ���$ � %�� � �� ��#������ �� ��� ������ ���$ � ��������� ��� #���������� � $�����<�� �� ����� ���� ��� ���� ��� ���� �� ����������� ������ � ������ :���� � ��� %�����%������ ��##�� ���$ � $��� ���<�� ���� ����%������ ���<�� ���$ � $�,�� � $��� $��� �-��4���� ���� ��� �������� $������� � ��##�������� ���� ���<���

*� � ������ ��� �� ���� ���� ��� �$#��� �������7������� �� �������� ���� � ���� ��� ���� ����0���$ &� �� 6@�3 ����� ��� �$#��� ������� $�,���� ��� ���4���� �� �%��J�� ��� �������� ���� �8&�� ��� �% �������� �� � ���� ��� � � �� ���� � ����� �� � ��������� ��� ��� �������� �����8&� � � � 6@�� ��� ������ 7������� ������� $�,-�� ����� ��� ��#� ����� �� � ����� %�����0��� ������ ����3 $������� �� � $��� ���<�

=�� !� "������ ������ ����� )@&& 5� ��� �$#��� �� ���$�� ��������� � � �������� �� ��� ���� ����� ��� 7��������

%&'& (�)� *&+&,& '�� �� - �)���� ������� !./ 0���12 13�41/� )8!

Page 12: The low energy ion assisted control of interfacial structure: ion ...

%����� 0����� ������ ����3 $�������� ��� �%- �������� $� %� �� ���4����� ��� ����� ����� �� ��� �(� #�� ����� ��� $�������� �

�����������

(I �$������� ���� %��� � �� �� J������ ����������� ���� ����� �� ) �2 5�� ��� ��� ����$#��� ���� ��� �� �� /� ������ ����� ��� ��./�.�� $�������� ��#� ������ ��� �$������� ������������� �����

)� *����� �� ��� ��� �������� ���� ���$ &� �� 6@������� $� � �� ��� 7������� ����� �% ����� ��� ���$�� ��� �������� ����� ��� 7������� ��-���� J���<� �� �##��� � ��� ��� ���� � ��-���� �� �%��� 6@��

� (�,�� ��� %� ������� % ������ �� ��� ��� ��-������ ����� =�������� ���� $���$�� $�,����� %� �������� � �� ��� �������� ���� %�-����� 8@� ��� 6@��

1� ��� ���� ��� �$#��� #��$��� ��� ������� $�-������ �� ������ � ���� ��� ���� �� ����� ��-��� ������

B� 5� ) �2� 5�� ��� ��� ��� ���� � �$���� 7��-����� ������ %�� ��� ��� ��� ������ $��� �-��4���� $�,���

@� ��� ���� ���� ������ �� ��� ������ #�� ����$#��� ������ � ���� ��� �������� ����� ��� ����-��� ��� ��� ���� ��� $��� ���� ���� 5�� ��� �

8� "������ ������ � ������� ���� ��� ���� ������� �� ��� ������� ���$ � ������ �� ������ ���� ��� ���� �� ��� �������� ���$ � ������ ��� (�,�� � ������� ���� ��� ���� ������� �� ��� �������� ���$ � ������ ���

��!��"�� �������

�� ��� ������� �� ��� I���� � 5������� ��- ����� H��N��� 5��� 05� � �� ��� "� �����H����$ (����� 3 ��� ��� �������� 5��������� ��� "#��� 5�$��� ������� ��� ��� �##��� �� ��� ���< ������ �5"5 ���� �5��)8! ����5�-)-)!8B�

#���������

>)? "� ������ "� P�$���� �� *$���� (� ������� Q� (���

(��� (����� ) 8 0)!!13 B)!�

> ? R� "����� M� *��$���� M� R� �� H� � ���� : @ 0)!!@3

8@&&�

>1? I��� (� ��� =� H������ 5� =���� H�5� "��������� ��H�

H���� Q��� �� S������ Q� (��� (��� (����� !B 0)!!)3 S)�

>B? H�(� S��� Q� (��� (��� (����� )&B;)BB 0)!!@3 BC@�

>@? ���� :������ ���� ����� I�(�/� ������ ��� Q�(�

(��S����� H� � ���� : @ 0)!!@3 )11!!�

>8? "�"�H� H��<��� H� � ���� S���� 6) 0)!!13 )8B)�

>6? ��5� H���E� "������ C 0)!!C3 )88&�

>C? Q�S� "�$��� � H� � ���� 05#��� )!!@3 8�

>!? /� � ��� ��9� =������� �� S��� I�9� ���$� 2�"� "#���� ��

:�5� ������ (�S� ������$ � *999 ���� � (��� 1&

0)!!B3 1C&)�

>)&? Q�H� ��E���� � 2�"� "#���� �� :�5� ������ :� I���� ��

S���<� � ��/� ����� Q� (��� (��� (����� ) ) 0)!!13

1C8�

>))? H� :������ �� "����� /�I� H������ �� 2��%���<� 2�2�

(� �����<��� R� :��� ������� H� � ���� : @& 0)!!B3

!!@6�

>) ? ���� :������ H������ ��$$����������

>)1? ���� ����� ������ ������ Q� 5##�� H� � CC 0 &&&3

@616�

>)B? �� M���� M� M����� 5� "�E�<�� 5� P<�%�� M� ��� ���

M� 5 �� Q� 5##�� #� � S���� 81 0)!!13 C1!�

>)@? Q�/�"� M��� � Q� 5##�� H� � 66 0)!!@3 !!1�

>)8? ��Q� ���$���� ��/� "���� ��9� "�$�<�� Q�9� 9���� �

Q� (��� (��� (����� ))8 0)!! 3 B!�

>)6? "� "��$�� ��� �� ��##� 5� ��%���� Q� (��� (���

(����� )88 0)!!63 86�

>)C? Q�:� R�� ��� M� :��E����� P� M� �<���� ��S� ����� (�9�

��������� (�9� R�$���� Q�(� I� ���� � 5� =���� Q�

(��� (��� (����� )8@ 0)!!63 CC�

>)!? ���� ����� ������ ������ Q� 5##�� H� � CB 0)!!C3

1&)�

> &? ���� ����� ������ ������ Q� 5##�� H� � C6 0 &&&3 @@1�

> )? *������� ��#��� ���$ /�$$�������� "������4� /��#���-

����� 5��,������� 2������� )!!!�

> ? ���� ����� ������ ������ Q� 5##�� H� � C6 0 &&&3

61�

> 1? ���� ����� ������ ������ Q� 5##�� H� � C6 0 &&&3

CBC6�

> B? I�Q� S�� ��� H��� /������� �� ��%��� 5� /���E�� 5�M�

H������-S��� ��S� (����� � ��=� M���� 5##�� H� � S����

66 0 &&&3 6 8�

> @? "�(� =���� � H� � ���� : 1 0)!C@3 68C@�

> 8? ��9� Q��� ��� ��� S�Q� S��E������� (� ����� I� "��T��

09� �3� 9������� /�����-H������� *���������� ���� 5�-

$� #���� ��� "������ � H� �� ��� /��$� �� �� "#���

H��������� ���� )!� "#������ :������ )!!&� #� 8C�

> 6? ���� ����� ������ ������ "���� "��� B1) 0)!!!3 @C�

)6& %&'& (�)� *&+&,& '�� �� - �)���� ������� !./ 0���12 13�41/�