材料中外重离子效应建模的前沿、挑战与解决方案

由于过去十年中在理解外重离子（SHI）在物质中以电子阻止机制减速的效应方面取得了若干突破，这促使我们回顾 SHI 效应建模的最先进方法。SHI 径迹动力学通过几个明显分离的阶段发生：从离子撞击电离在靶中沉积能量的阿秒，到电子传输与空穴级联的飞秒，到晶格激发与响应的皮秒，到原子弛豫的纳秒，乃至更长的宏观反应。每个阶段都需要其自身的定量描述方法。我们讨论，理解各阶段之间的联系使得无需拟合程序即可在多尺度模型内描述整个径迹动力学。本综述聚焦于每个过程的潜在物理机制、它们产生的主要效应、现有方法的局限性以及实现这些模型的各种数值技术。它概述了基于第一性原理的电子性质演化建模；非平衡电子传输的蒙特卡洛模拟；表面与体相中原子反应的分子动力学建模；原子缺陷动力学的动力学蒙特卡洛；描述蚀刻动力学的径迹与化学溶剂相互作用的有限差分方法。我们勾勒了将这些方法耦合为多尺度多学科模型的现代方法，并指出其瓶颈、优势与弱点。分析辅以重要结果示例，增进了对各种材料中径迹形成的理解。通过总结径迹形成过程领域的最新进展，本综述提供了全面的认识与对现象的细节理解。