Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях

Подождите немного. Документ загружается.

131

гую. При обмене электронами в такой системе может установиться равно-

весие, в результате которого частицы меньших размеров оказываются

заряженными положительно, а частицы больших размеров - отрицатель-

но. Третье, межчастичная среда (в целом, электронейтральная) не должна

содержать электрические заряды в такой концентрации, при которой они,

адсорбируясь на поверхности частиц, могли бы создавать плотный

двой-

ной электрический слой и экранировать собственный заряд металлическо-

го ядра. В настоящей работе на основе метода броуновской динамики

[3,4] и реализации вышеперечисленных условий было обнаружено прояв-

ление фотостимулированного взаимного разнополярного заряжения иден-

тичного эксперименту полидисперсного аэрозоля серебра и близкое к ре-

альным значениям ускорение агрегации на два порядка, по сравнению

со

скоростью спонтанной агрегации.

Работа выполнена при поддержке грантов: РФФИ 05-03-32642, Прези-

дента РФ для государственной поддержки ведущих научных школ РФ

НШ-6612.2006.3, РНП ВШ 2.1.1.1814, СО РАН 33.

Список литературы

1. Burtscher H., Schmidt-Ott A. // Phys. Rev. Lett. V.48 (25) P.1734 (1982).

Нагаев Э.Л. // УФН. Т.162 (9). С.49 (1992).

Markel V.A., Pustovit V.N., Karpov S.V. et al // Phys. Rev. B.V.70, P. 054202 (2004).

Карпов С.В., Герасимов В.С., Исаев И.Л., Обущенко А.В. // Коллоид. журн. Т.68 (4).

С. 484(2006).

В.Ф. ЕЛЕСИН, И.Ю. КАТЕЕВ

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

НА ОДНОЯМНЫХ И ДВУХЪЯМНЫХ НАНОСТРУКТУРАХ

На основе численного решения нестационарного уравнения Шредингера про-

ведено моделирование активного и реактивного токов поляризации одноямных и

двухъямных резонансно-туннельных наноструктур. Было исследовано несколько

реальных структур с прямоугольными барьерами и Ферми-распределением элек-

тронов. Подтверждено существование «квантового» режима генерации электро-

магнитного поля в одноямной структуре, предсказанного ранее в рамках простых

моделей

. Проведена оптимизация параметров двухъямных структур и показано,

что для реализации генерации в терагерцовом диапазоне частот нужно выбрать

сильно асимметричные структуры.

132

Резонансное туннелирование и эффект отрицательного дифференци-

ального сопротивления в наноструктурах являются чисто квантовыми

явлениями. Электромагнитное поле приводит к поглощению и излучению

фотонов электронами в процессе их резонансного туннелирования. Таким

образом, возникает возможность реализации одновременно пространст-

венного и временного резонанса в наноструктурах, способных усиливать,

генерировать и преобразовывать электромагнитные поля.

Ранее [1, 2] была развита

теория генерации в одноямной нанострукту-

ре – резонансно-туннельном диоде (РТД). В рамках простой модели с

дельтаобразными барьерами и моноэнергетическими электронами найде-

ны активный и реактивный токи поляризации (отклик), возникающие в

структуре в слабых и сильных переменных полях. Было показано, что су-

ществуют два режима генерации – «классический» и «квантовый». «Кван-

товый»

режим реализуется, если напряжение смещения лежит вне области

максимальной ОДП, т.е. превосходит обычно выбираемые в эксперименте

и теории («классический» режим). В «квантовом» режиме возможна гене-

рация электромагнитного поля на сверхвысоких (терагерцовых) частотах,

превосходящих ширину резонансного уровня квантовой ямы.

В рамках той же модели в работах [3,4] была развита теория генерации

двухъямной наноструктуре. Было показано, высокочастотный отклик

ДНС значительно превышает отклик РТД и возможна перестраиваемая по

частоте генерация сильного поля с эффективностью, близкой к макси-

мально возможной.

В настоящей работе поведено компьютерное моделирование отклика

для реальных одноямных и двухъямных структур с прямоугольными

барьерами и с Ферми-распределением электронов при помощи численно-

го решения нестационарного уравнения Шредингера с открытыми гра-

ничными условиями. Конечно-разностным методом [5] задача приводи-

лась к системе линейных алгебраических уравнений, которая решалась

методом прогонки. Были найдены вольт-амперные характеристики, а так-

же активный и реактивный токи поляризации в широком интервале частот

и полей. Структуры отличались параметрами барьеров и ям и

концентра-

цией допированных электронов. Показано, что и в реальных РТД реали-

зуются оба режима генерации, причем качественное поведение токов по-

ляризации аналогично предсказанному ранее в работах [1,2] для модель-

ной задачи. Мощность генерации в «квантовом» режиме превосходит

мощность в «классическом» на терагерцовых частотах, если выбрать

структуры с низкой концентрацией допированных электронов (

n ~ 10

см

). Кроме того, структуры, где высота барьера коллектора больше высоты

барьера эмиттера, весьма перспективны для создания терагерцовых гене-

раторов на РТД в обоих режимах генерации. Проведена оптимизация па-

раметров двухъямной структуры и показано, что можно получить генера-

133

цию электромагнитного поля в терагерцовом диапазоне на реальных ДНС,

если выбрать сильно асимметричные структуры, где ширины ям и барье-

ров заметно отличаются друг от друга.

Список литературы

Елесин В.Ф. К теории генерации резонансно-туннельного диода. // ЖЭТФ, т. 116, с.

704 (1999).

Елесин В.Ф., Катеев И.Ю., Подливаев А.И. Нелинейная теория генерации резонанс-

но-туннельного диода в широком интервале частот.// ФТП, т. 34, с. 1373 (2000).

Елесин В.Ф. Высокочастотный отклик двухъямных наноструктур. // ЖЭТФ, т. 127, с.

131 (2005).

Елесин В.Ф. Перестраиваемый тергерцовый генератор на двухъямной наноструктуре

с когерентной электронной подсистемой. // ЖЭТФ, т. 128, с. 922 (2005).

Самарский А.А. Теория разностных схем: М.: Наука, 1977.

П.Б. СОРОКИН, А.Г. КВАШНИН

, Д.Г. КВАШНИН

Сибирский федеральный университет, Красноярск

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НОВЫХ

КРЕМНИЕВЫХ НАНОВОЛОКОН РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ

С помощью метода классической молекулярной динамики исследованы крем-

ниевые нановолокна различной формы. Изучена их энергетическая стабильность,

ее зависимость от наличия водородного слоя на поверхности нановолокон.

В настоящее время большое количество кремниевых нановолокон

(НВ) различных форм и эффективных размеров было синтезировано при

высокой температуре. В связи с тем, что атомарная структура НВ в боль-

шинстве случаев остается неопределенной, существует большое количе-

ство теоретических исследований и предсказаний НВ различных формам

и размеров. Так, Жао и Якобсон [1] предложили <110>

НВ с пентагональ-

ным и гексагональным сечением и показали, что НВ малого размера с

таким сечением являются наиболее энергетически выгодными.

В большинстве теоретических работ исследуются свойства чистых НВ.

Однако обычно в эксперименте получают кремниевые нановолокна по-

крытые кислородом или водородом. Поэтому в данной работе было про-

ведено моделирование свойств НВ <110> как

с поверхностью пассивиро-

ванной водородом так и без неё. Нановолокна выращенное в таком на-

правлении были выбрано исходя из экспериментальных фактов, что рост

вдоль направления <110> должен быть предпочтительней для нановоло-

кон с диаметром менее 25 нм [2].

134

В работе были исследован класс нановолокон с шестиугольным сече-

нием с помощью метода классической молекулярной динамики. Предель-

ными случаями структур принадлежащих этому классу являются НВ с

сечением гексагона (изученные ранее в [1]) и звезды. Была введена клас-

сификация таких объектов. В качестве примера на Рис. 1 показаны НВ с

сечением звезды (7, 4) (а, б

) и гексагона (4, 4) (в, г) как покрытые (а, в) так

и не покрытые водородом (б, г). Кроме того, на Рис. 1д показана изомет-

рическая проекция НВ (4, 4) с сечением гексагона с реконструированной

поверхностью.

В работе было проведено моделирование устойчивости объектов при

различной температуре, изучена их геометрическая структура.

Ранее с помощью квантово-химического

метода расчета было прове-

дено численно моделирование атомной структуры и свойств данных

структур. Было показано, что нановолокна типа «звезда» (Рис. 1а) явля-

ются более выгодными энергетически, чем нановолокна типа «гексагон»

(Рис. 1в).

Рис. 1. Кремниевые нановолокна с поперечным сечением «звезда» (а, б)

и «гексагон» (в, г); д) вид кремниевого нановолокна (4,4)

с реконструированной поверхностью

Проведенные в предложенной работе исследования структур показали,

что в случае отсутствия пассивирующего слоя поверхность НВ претерпе-

вает реконструкцию (Рис. 1 (б, г)) и энергия структур снижается, причем

НВ с сечением «звезда» становится менее выгодной, чем с сечением гек-

сагон в полном соответствии с правилом Вульфа.

135

Список литературы

Zhao Y., Yakobson B. What is the Ground-State Structure of the Thinnest Si Nano-

wires?Phys. Rev. Lett, 91, 035501 (2003)

Schmidt V., Senz S., Go1sele U. Diameter-Dependent Growth Direction of Epitaxial Sili-

con Nanowires, Nano Lett., 5, 931 (2005)

Д.Г. КВАШНИН

, А.Г. КВАШНИН, П.Б. СОРОКИН

1,2

Л.А. ЧЕРНОЗАТОНСКИЙ

Сибирский федеральный университет, Красноярск

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, Москва

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НАНОВОЛОКОН

СОСТАВА КАРБИДА КРЕМНИЯ

Изучены нановолокна состава SiC выращенные в различных кристаллографи-

ческих направлениях. С помощью метода классической молекулярной динамики

рассчитана их геометрия, термическая стабильность и упругие свойства.

Нановолокна состава SiC представляют особый интерес, поскольку его

кристаллическая форма играет важную роль в электронике. Например,

три (из 170) наиболее хорошо изученных политипов (3C, 4H, 6H) имеют

такие интересные электрические свойства, как высокая термическая ста-

бильность, большие величина запрещенной зоны и поле пробоя. Таким

образом, SiC нановолокна (SiC-НВ) должны быть стабильны при высоких

температурах, что позволяет применять

их в качестве переключателей для

электроники высоких мощностей, высоких частот, а также в неблагопри-

ятных условиях окружающей среды (например, при значительных темпе-

ратурах).

Нами была изучена геометрическая структура и механические свойст-

ва (модуль Юнга) SiC-НВ. Было исследовано поведение нановолокон при

различных температурах. Исследование было проведено для нановолокон

выращенных в различных

кристаллографических направлениях. Кроме

того, нами были исследованы Y соединения SiC-НВ, которые могут при-

меняться в качестве переключателей в наноэлектронике. Материалы из

рассмотренных SiC-НВ могут быть использованы в качестве пружин и

механо-электрических элементов в микромашинах, строительными бло-

ками для новых наноматериалов.

В качестве метода расчета нами была использован метод классической

молекулярной динамики

с потенциалом Терсоффа [1] параметризованный

для случая соединения кремния и углерода.

136

Список литературы

Tersoff J. Empirical Interatomic Potential for Carbon, with Applications to Amorphous

Carbon, Phys. Rev. Lett., 61, 2879 (1988); Empirical interatomic potential for silicon with im-

proved elastic properties, Phys. Rev. B, 38, 9902 (1988).

Н.А. КИСЕЛЕВ

, Р.М. ЗАКАЛЮКИН, О.М. ЖИГАЛИНА,

Л.Н. ДЕМЬЯНЕЦ, Н. ГРОБЕРТ

, А.С. КУМСКОВ,

Ю.В. ГРИГОРЬЕВ, М.В. ЧЕРНЫШОВА

, А.А. ЕЛИСЕЕВ

А.В. КРЕСТИНИН

, Ю.Д. ТРЕТЬЯКОВ

, Б. ФРЕЙТАГ

Д. ХАТЧИСОН

Институт кристаллографии РАН, Москва

Отделение материаловедения Оксфордского университета, Великобритания

Факультет науки о материалах Московского университета, Москва

Институт проблем химической физики РАН, Москва

Компания FEI, Эйндховен, Голландия

ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ ОДНОМЕРНЫХ КРИСТАЛЛОВ,

ВЫРАЩЕННЫХ ВО ВНУТРЕННЕМ КАНАЛЕ ОСНТ

Методами ВРЭМ исследованы на атомном уровне структура 1D кристаллов

синтезированных во внутреннем канале ОСНТ, построены их атомные модели.

Впервые обнаружены 1D кристаллы с одномерной сверхрешеткой.

Для изготовления нанокомпозитов использовали одностенные угле-

родные нанотрубки (ОСНТ) диаметром 1.20-1.60 нм, полученные элек-

тродуговым методом с последующей очисткой. Нанокомпозиты были по-

лучены путем выращивания одномерных кристаллов (1D) во внутреннем

канале ОСНТ с использованием метода капиллярного внедрения вещества

[1,2]. Таким образом, получены 1D кристаллы CuI, AgI, SnF

и другие. Их

структура исследована методом электронной микроскопии высокого раз-

решения (ВРЭМ). Моделирование структуры 1D кристаллов в канале

ОСНТ проводили с учетом следующих требований: взаимное расположе-

ние атомов и расстояния между ними должны соответствовать расстояни-

ям и углам в кристаллической решетке объемного (3D) монокристалла

(отклонения возможны, но не должны превышать 15 %), стехиометрия

соединения

не должна нарушаться (отклонения могут быть очень значи-

тельными, если структурная модель 1D кристалла ограничена кристалло-

графическими плоскостями с превалированием одного из элементов со-

единения).

137

Построены атомные модели одномерных кристаллов. Установлены

особенности 1D кристаллов по сравнению с 3D кристаллами этих же ма-

териалов. Проведены исследования методом Рамановской спектроскопии,

позволившие охарактеризовать изменение электронных свойств наноком-

позитов по сравнению с ОСНТ.

ВРЭМ исследования атомной структуры нанокомпозита 1D CuI@

ОСНТ, выявили два типа одномерных кристаллов: с направлением роста

совпадающим с <001> или <1-10> в 3D кристаллах

CuI.

В нанокомпозите SnF

@ОСНТ, атомы олова образуют два характер-

ных мотива, которые отвечают двум различным структурным проекциям

кристалла SnF

Структура моноклинного 1D-кристалла α-SnF

описывается чередова-

нием вдоль оси нанотрубки двух типов слоев катионов олова. Слои чере-

дуются вдоль направления [283]. Этому направлению перпендикулярна

плоскость с h=31, k=34, l=79, отклоненная от плоскости (112) на угол

3.02

. В поперечном сечении первый слой катионов (L

) внутри канала

трубки представлен 7 атомами олова, которые образуют центрированный

шестиугольник. Второй слой (L

) образуют 4 атома олова в виде ромба.

Отклонение расположения плоскостей от перпендикулярного относитель-

но оси нанотрубки на 3.02

определяется структурой α-SnF

На примере нанокомпозита 1D CuI кристалл@ОСНТ было выявлено

явление осцилляции нанокристаллов во внутреннем канале ОСНТ. Мето-

дами ВРЭМ и спектроскопия энергетических потерь электронов показали,

что при облучении электронами (100кВ) происходит выделение CuI из

внутреннего канала ОСНТ с дальнейшим распадом на I и Cu. Атомы Cu

первоначально образуют кластеры, которые затем преобразуются в fcc

нанокристаллы.

Работа

выполнена в рамках Государственного контракта

№02.513.11.3174.

Список литературы

Chernysheva M.V., Eliseev A.A., Lukashin A.V., Tretyakov Yu.D., Savilov S.V., Kiselev

N.A., Zhigalina O.M., Kumskov A.S., Krestinin A.V., Hutchison J.L. Filling of single-walled car-

bon nanotubes by CuI nanocrystals via capillary technique // Physica E, 37(1-2), p. 62-65 (2007).

Krestinin A.V., Kiselev N.A., Raevskii A.V., Ryabenko A.G., Zakharov D.N., Zvereva G.I.

Perspective of single-wall carbon nanotube production in the arc-discharge process // Euroasian

Chem. Tech. J., 5, p. 7-18 (2005).

138

А.Г. ЛИПНИЦКИЙ, И.В. НЕЛАСОВ, Д.Н. КЛИМЕНКО

Д.Н. МАРАДУДИН, Ю.Р. КОЛОБОВ

Белгородский государственный университет

МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

МНОГОСЛОЙНОГО КОМПОЗИТА Cu/Nb

Построены потенциалы межатомных взаимодействий в системе Cu-Nb в рам-

ках метода погруженного атома. На примере моделирования наноламината Cu/Nb

изучена эволюция структуры межфазной границы между ГЦК медью и ОЦК нио-

бием. Показано, что аморфизация межфазной границы при повышении темпера-

туры в этом многослойном композите происходит благодаря ее миграции.

Создание многослойных композитов на основе металлов с ГЦК и ОЦК

структурой, таких как Cu/Nb, перспективных для различных высокотех-

нологичных приложений, благодаря сочетанию высокой прочности с вы-

сокой термической и электрической проводимости, поставило вопрос об

изучении стабильности межфазных границ в этих композитах, в которых

толщина слоев достигает ∼ 10 нм.

В данной работе впервые

построены потенциалы межатомных взаимо-

действий в системе Cu-Nb, которые правильно воспроизводят результаты

«первопринципных» расчетов энергий образования ряда модельных сис-

тем Cu-Nb и энергии взаимного растворения этих элементов в пределе

регулярных растворов. На примере моделирования наноламината Cu/Nb

изучена эволюция структуры межфазной границы между ГЦК и ОЦК ме-

таллами с ограниченной взаимной растворимостью при повышении

тем-

пературы до 1000К с шагом 100К. Период модулирования структуры

Cu/Nb составлял 20 нм и менее.

Показано, что неподвижная межфазная граница в наноламинате Cu/Nb

устойчива при всех рассмотренных температурах. Поэтому возможной

причиной аморфизации данной границы, наблюдаемой экспериментально

в ряде систем Cu/Nb при повышении температуры, может являться ее ми-

грация, которая обычно наблюдается совместно с

аморфизацией. В этом

случае аморфизация происходит в результате изменении формы частиц

ниобия, а значит при миграции границ, что приводит к перемешиванию

компонент в локальной области мигрирующей границы. Проведенное на-

ми искусственное перемешивание меди и ниобия в окрестности межфаз-

ной границы модельного образца также приводило к ее аморфизации, что

типично для

бинарных систем в отсутствие взаимной растворимости.

139

В.В. КЛЮЧАРЕВ

Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка

МНОГОМАСШТАБНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЛ

ДРОБНОЙ РАЗМЕРНОСТИ С ПОЗИЦИЙ КЛАССИЧЕСКОЙ

ГЕОМЕТРИИ: НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ

И ПЕРСПЕКТИВЫ

Химическую природу вещества отражают особые, химические, единицы мас-

сы [1]. Вследствие этого, допустимое для технологов масштабирование в долях

метра не имеет смысла, когда рассматривают вопросы химизма. Цель доклада

заключается в том, чтобы показать, каким образом в задаче о многомасштабном

моделировании нанообъектов появляются чисто химические аспекты.

Известно, что дважды два не всегда равно четыре. Результат зависит

от того, как организовано превращение [2]. Например, может получиться

так, что дважды два окажется равным три, два, или один. Однако, вплоть

до конца 20-го столетия, классическая геометрия неарифметических сис-

тем так и не состоялась. Как следствие, уже четверть века можно рассмат-

ривать

химические и биологические превращения в пространствах дроб-

ной размерности [3,4]. Однако, вплоть до начала 21-го столетия [5,6], не

нашлось ответа на вопрос: что представляет собой тело дробной размер-

ности?

Ситуация начала меняться с созданием в России химической фракта-

лики, позволяющей с позиций химизма рассматривать не только стехио-

метрию, молекулярную массу, строение молекул

и супрамолекулярную

сборку, но и организацию химического акта [7,8]. В результате, средства-

ми классической геометрии впервые удалось построить превращающееся

тело в масштабах не только больших, но и меньших, чем предел делимо-

сти продуктов превращения. Как следствие, в одном очень простом слу-

чае, впервые удалось, из первых принципов, определить химическую ём-

кость «акта

творения», т.е. долю окружающего евклидова пространства,

которое занимает тело дробной размерности. Это даёт основание для точ-

ного аналитического расчёта термодинамических пределов одномерного,

двумерного и трёхмерного горения.

Создание химической фракталики позволяет осмыслить существова-

ние особого порога, а именно, предела делимости химически реагирую-

щего тела, который ограничивает сверху область возникающих и

исче-

зающих материальных фрагментов, а снизу ограничивает область одно-

мерных филаментарных структур. Тем самым в задаче о многомасштаб-

ном моделировании нанообъектов появляются чисто химические аспекты.

В частности, возникает интерес к ответам на следующие вопросы: как

140

тело евклидовой геометрии переходит в состояние дробной размерности;

что представляет собой вещество дробной размерности; при каких усло-

виях вещество дробной размерности переходит в продукты химического

превращения евклидовой геометрии; где, и в каком качестве, можно ис-

пользовать тела, находящиеся в состоянии дробной размерности.

Список литературы

Менделеев Д.И. Исследование водных растворов по удельному весу. // С-Пб.: Тип. В.

Демакова, 1887.

Лебег А. Об измерении величин. // М.: Комкнига, 2005, с. 21.

Pfeifer P., Avnir D. Chemistry in noninteger dimensions between two and three. I. Fractal

theory of heterogeneous surfaces. // J. Chem. Phys., v. 79, p. 3558 (1983).

Avnir D., Farin D., Pfeifer P. Chemistry in noninteger dimensions between two and three. II.

Fractal surfaces of adsorbents. .// J. Chem. Phys., v. 79, p. 3566 (1983).

Shenker O.R. Fractal geometry is not the geometry of nature. // Stud. Hist. and Phil. Sci., v.

25, p. 967 (1994).

Тимашев С.Ф. Новый диалог с природой: о законе эволюции природных систем,

«стреле времени» и копенгагенской интерпретации квантовой механики. // ЖФХ, т. 74, с. 16

(2000).

Ключарев В.В. Фрактальные образы химических превращений. // ДАН, т. 390. с. 355

(2003).

Ключарев В.В. Размерности становления самораспространяющихся химических про-

цессов. // ДАН, т. 410, с. 347 (2006).

В.Г. АРТЮХОВ, Т.А. КОВАЛЕВА

, М.Г. ХОЛЯВКА,

А.С. БЕЛЕНОВА, О.М. КОЖОКИНА, Л.А. БИТЮЦКАЯ

Воронежский государственный университет

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВТОРИЧНОЙ

И ТРЕТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ НЕКОТОРЫХ КАРБОГИДРАЗ

Проведено сравнение пространственных структур макромолекул гидролитиче-

ских ферментов: глюкоамилаз из Aspergillus awamori и Saccharomycopsis

fibuligera. Построены модели белковых глобул ферментов с указанием положения

функционально-значимых групп в полости активного центра.

Сравнение первичных структур карбогидраз осуществляли с помощью

программ Gene Bee и Gene Doc. Проведенный нами анализ глюкоамилаз

из микромицетов рода Aspergillus (A. niger, A. awamori X 100, A. awamori

var. kawachi, A. shirousami, A. оryzae) показал гомологичность их амино-

кислотных последовательностей на 86.1%. Установлено, что в состав кон-

сервативных областей полипептидных цепей глюкоамилаз плесневого

происхождения входят остатки Asp и Glu, карбоксильные группы которых