Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях

Подождите немного. Документ загружается.

311

Одним из перспективных материалов для использования в развиваю-

щейся наноэлектронике является графен, который может стать основой в

технологиях синтеза многослойных наносистем. Свойства графенового

слоя зависят от характеристик подложки, на которой он адсорбирован. В

данной работе расчетными и экспериментальными методами исследуется

влияние структуры и свойств металлических подложек с различной мор-

фологией поверхности

на структуру синтезированного на них графеново-

го покрытия.

Основной задачей данной работы являлось компьютерное моделиро-

вание строения графена, сформированного на поверхностях никеля с со-

размерной и несоразмерной графиту кристаллической структурой с целью

выявление факторов, определяющих атомное строение графеновой плен-

ки на поверхности подложки. В расчете использовались многоцентровые

потенциалы межатомного взаимодействия,

построенные на основе квази-

фермионного приближения [1,2]. Результаты расчета сопоставлялись с

экспериментальные данными.

В качестве подложек для синтеза графена в экспериментальной части

работы использовались: плоские поверхности Ni(111) и Ni(110), а также

ступенчатые поверхности Ni(755) и Ni(771). Как было установлено нами

ранее, ступенчатые поверхности никеля при формировании на них графе-

на оказываются фасетированными, т.е. имеют сложный

рельеф, образо-

ванный различными низкоиндексными гранями.

Исследования графена на плоских поверхностях показали, что в отли-

чие от графена на Ni(111), образующего сплошное монокристаллическое

покрытие со структурой (1×1), графен на несоразмерной поверхности

Ni(110) имеет сложную кристаллическую структуру, заметно модифици-

рованную взаимодействием с подложкой. Расчет системы графен/Ni(110)

показал, что благодаря значительному химическому взаимодействию уг-

лерода

с никелем графеновый слой в масштабах нескольких ангстрем яв-

ляется существенно изогнутым. Рассчитанная модель позволила интер-

претировать экспериментальные данные, полученные методом скани-

рующей туннельной микроскопии, а также предсказать основной резуль-

тат исследований графена на фасетированных поверхностях, выявивших

способность графена изгибаться, покрывая геометрически неоднородные

поверхности сплошной неразрывной пленкой [3]. Полученные результаты

важны

с точки зрения катализа для описания на атомно-молекулярном

уровне начальных стадий закоксовывания катализаторов.

Работа выполнена в рамках грантов РФФИ 08-03-00410, 08-08-00752 и

поддержана ФЦП, контракты 02.518.11.7029 и 02.513.11.3355.

312

Список литературы

А.М. Добротворский, Д.Ю. Усачев, В.К. Адамчук. Применение многоцентровых по-

тенциалов в задачах моделирования структуры и свойств наноматериалов. // Тезисы настоя-

щей конференции.

Dobrotvorskii A.M., Afanasjeva O.V. A quasifermion approach to modelling interatomic in-

teractions in solids // J. Phys.: Condens. Matter. - 1993. - Vol.5, N 47. — p.8839-8848.

Д.Ю. Усачев, А.М. Добротворский, А.Ю. Варыхалов, O. Rader, W. Gudat, А.М. Ши-

кин, В.К. Адамчук. Экспериментальное и теоретическое исследование морфологии графена

на соразмерных и несоразмерных поверхностях монокристалла Ni. // ФТТ — 2008. В печати.

В.В. ФИЛИППОВ

Липецкий государственный педагогический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНСПОРТНЫХ СВОЙСТВ

КРЕМНИЕВЫХ КЛАСТЕРОВ

Рассмотрены электронные свойства некоторых кремниевых кластеров и нано-

частиц. Показано, что внедрение примесей в кремниевые структуры значительно

изменяет их электронные и транспортные свойства. Показано изменение спектра

частиц во внешних электрическом и магнитном полях. Представлены модели на-

ноустройств для преобразований электрических сигналов.

В последнее время весьма актуальным направлением в микро- и нано-

электронике является разработка одноэлектронных квантовых устройств

для преобразования информации. Некоторые простейшие модели молеку-

лярного диода и транзистора уже не раз обсуждались в литературе [1, 2].

Следующим шагом является создание молекулярных приборов и оптими-

зация их функционирования за счет подбора наиболее эффективных хи-

мических

композиций. Для этого необходимо детально разобраться в

транспорте электронов через молекулярные и кластерные структуры, раз-

работать описывающие эти процессы концепции.

В данной работе рассматривается комплексное исследование транс-

портных характеристик наноструктур молекулярного масштаба с дис-

кретным энергетическим спектром. Представлены теоретические расчеты

электронных и транспортных свойств некоторых кремниевых кластеров и

наночастиц. Интерес

к кремниевым кластерам связан также с их ролью в

технологическом процессе осаждения аморфного кремния.

Для исследования электронных свойств кремниевых кластеров нами

был использован полуэмпирический квантовохимический метод частич-

ного пренебрежения двухатомным дифференциальным перекрыванием

NDDO РМ3 [3]. Выбор метода расчета обусловлен тем, что на данный

момент РМ3 является одним из наиболее точных, оптимизирован на

313

большом числе экспериментальных данных. Результаты применения ме-

тода РМ3 к расчетам электронных характеристик кремниевых кластеров,

как показано в работах [4, 5], согласуются с экспериментальными данны-

ми значительно лучше, чем результаты расчета

ab initio метода Хартри-

Фока на базисе 6-31G. Предварительно расчеты нами были также выпол-

нены в рамках расширенного метода Хюккеля и различными полуэмпи-

рическими методами модификаций пренебрежения дифференциальным

перекрыванием (СNDO, INDO, ZINDO/1, MINDO3, MNDO) [3]. Однако

эти методы, являющиеся более грубыми, не всегда выдавали даже качест-

венно верные результаты. Применение неэмпирического метода Хартри-

Фока, а также методов функционала

плотности связано не только с ог-

ромными затратами машинного времени расчета, но с проблемами выбора

базиса, обменного и корреляционного потенциала и т.д.

Выполненные нами расчеты позволяют сделать следующие выводы.

1. Геометрия кремниевых наноночастиц оказывает значительное влия-

ние на их электронные свойства. В частности, собственная электрическая

емкость полупроводниковых наночастиц определяется не

только их раз-

мерами, но и структурой.

2. Внедрение металлических примесей позволяет увеличить энергети-

ческую стабильность кремниевых наночастиц.

4. В процессе туннельного транспорта электронов в наноструктурах на

основе молекулярных кластеров структура энергетического спектра игра-

ет ведущую роль.

5. Наличие внешних электрических и магнитных полей приводит к за-

метному изменению транспортных свойств наночастиц.

Предложены модели одноэлектронных приборов на основе кремние-

вых наночастиц. Выполнен расчет основных физических параметров дан-

ных электронных устройств.

Результаты расчетов согласуются с экспериментальными исследова-

ниями кремниевых наночастиц, а также с известной теорией ортодоксаль-

ной наноэлектроники [6].

Список литературы

Плотников Г.С., Зайцев В.Б. Физические основы молекулярной электроники // М.:

МГУ, 2000.

Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и нано-

материалов // М.: КомКнига, 2006. c. 506-520.

Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев Р.М. Теория строения молекул // Ростов-на-

Дону: Феникс, 1997. с. 203-253.

Курганский С.И., Борщ Н.А. Геометрическая структура и спектральные характери-

стики электронных состояний кремниевых наночастиц. // ФТП, т. 38, с.

580 (2004).

Борщ Н.А., Переславцева Н.С., Курганский С.И. Атомная и электронная структура

кремниевых и кремний-металлических наночастиц Si

, Si

, NaSi

и KSi

. // ФТП, т. 40, с.

1457 (2006).

314

6. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники // М.: Ло-

гос, 2006.

Н.В. ХОХРЯКОВ

, В.И. КОДОЛОВ

Ижевская государственная сельскохозяйственная академия

Ижевский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ АКТИВНЫХ ЧАСТИЦ

НА СТРУКТУРУ ПОЛЯРНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

На примере системы гидроксифуллерен/вода исследуется влияние активных

частиц на структуру полярных жидкостей. Квантовохимические расчеты показы-

вают возможность образования в водной среде устойчивых комплексов, содержа-

щих большое количество молекул воды, с молекулой гидроксифуллерена в цен-

тре.

В настоящее время в литературе появляются экспериментальные дан-

ные, свидетельствующие о радикальных изменениях структуры воды и

других полярных жидкостей при внесении малых количеств поверхностно

активных наночастиц. При дальнейшем использовании в технологических

процессах вода, модифицированная наночастицами, часто приводит к ка-

чественному изменению свойств продуктов, включая улучшение различ-

ных механических характеристик.

В работе

приводятся результаты квантовохимического моделирования

подобных систем, позволяющие сделать выводы о степени влияния нано-

частиц на структуру водных растворов. Расчеты проводились в рамках

первопринципного метода Хартри-Фока в различных базисных наборах и

полуэмпирического метода PM3. При расчетах использовался программ-

ный комплекс GAMESS [1]. В рамках указанных энергетических моделей

определены равновесные атомные геометрии фрагментов, выполнена

оценка энергии взаимодействия молекулярных структур.

В рамках первопринципного метода Хартри-Фока в базисе 6-31G было

выполнено исследование взаимодействия воды с кластером декагидрок-

сифуллерена

60 10

[]COH . Все расчеты проводились при сохранении сим-

метрии

C молекулярных систем. Первопринципные расчеты показыва-

ют, что энергия взаимодействия молекулы воды с кластером превышает

12,5 ккал/моль. Эта величина более, чем в два раза превышает энергию

взаимодействия между молекулами воды. Полуэмпирические расчеты

предсказывают значительно меньшие энергии взаимодействия, но качест-

венные тенденции сохраняются.

315

В рамках полуэмпирических методов исследовалась возможность рос-

та цепочки молекул воды к одной из OH – групп молекулы дигидрокси-

фуллерена

60 2

[]COH. Расчеты показывают, что энергия присоединения

очередной молекулы немонотонно зависит от длины цепочки. При этом

наблюдаются затухающие осцилляции по энергии с максимумами при

присоединении третьей, шестой и т.д., молекул воды. Энергия присоеди-

нения третьей молекулы превышает энергию взаимодействия между мо-

лекулами воды более, чем в 3 раза.

В целом расчеты указывают на возможность образования в водной

среде устойчивых комплексов, содержащих большое количество молекул

воды, с молекулой гидроксифуллерена в центре.

Список литературы

Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A. et al. J.Comput. Chem., 1993, v.14, p. 1347-

1363.

Д.И. МАТВЕЕВ, И.В. ЦВЕТКОВ

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

МНОГОМАСШТАБНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМЫ С ПОВЕРХНОСТЬЮ

Разработан 3D программный код, объединяющий численное решение задачи

движения ионов в пристеночном слое плазмы с моделированием их взаимодейст-

вия с материалом стенки. Расчет движения ионов в пристеночном слое плазмы

позволяет моделировать угловые и энергетические спектры частиц, достигающих

поверхности. Моделирование взаимодействия частиц с материалом стенки позво-

ляет оценить влияние параметров пристеночной области плазмы

и состава мате-

риала стенки на угловые и энергетические распределения отраженных частиц,

профили внедрения частиц, коэффициент распыления поверхности. «Сшивка»

задач транспорта частиц в пристеночном слое и в твердом теле позволяет постро-

ить замкнутую модель взаимодействия плазмы с поверхностью.

Моделирование взаимодействия плазмы с поверхностью в настоящее

время является актуальной задачей для наноплазменных технологий. Ус-

тановки для ионно-плазменной модификации поверхности (магнетроны,

пучково-плазменные разряды и т.п.) как правило, подразумевают наличие

магнитного поля, которое удерживает и направляет частицы плазмы к

поверхности. Пристеночное падение потенциала обуславливает наличие и

электрического поля. Процессы

вблизи поверхности, на поверхности и в

316

материале твердого тела взаимно согласованы и имеют разные масштабы,

как по времени, так и в пространстве.

Угловые и энергетические распределения падающих на поверхность

ионов зависят от параметров пристеночной области плазмы, в частности

от угла наклона магнитного поля, что определяет их дальнейшее взаимо-

действие с твердым телом, влияет на профили внедрения в

материал стен-

ки, коэффициент распыления поверхности.

Исследуемая проблема разбивается на две задачи: расчет движения

ионов плазмы в пристеночном слое и расчет движения частиц внутри ма-

териала. Рассмотрение пристеночной области плазмы было подробно

представлено в работе [1]. Транспорт частиц в пристеночном слое с на-

клонным магнитным полем подробно рассмотрен в монографии [2]. Про-

блемы взаимодействия потоков заряженных частиц с веществом подробно

изложены в монографии [3]. Подробный обзор компьютерных программ

для описания взаимодействия ионов с веществом и полученных с их по-

мощью результатов представлен в монографии [4]. Областью применения

подобных программ является описание взаимодействия направленных

моноэнергетических ионных пучков с материалом. Реально же при взаи-

модействии плазмы со

стенкой ионы из плазмы приходят на поверхность

под разными углами, имея различную энергию. Кроме того, наличие на-

клонного магнитного поля требует учета возврата на поверхность отра-

женных частиц, что не реализовано в существующих программах. Основ-

ная трудность моделирования взаимодействия со стенкой потоков ионов -

это «сшивка» двух задач, а именно, транспорта

частиц в пристеночном

слое и в материале твердого тела.

Рис. 1. Траектории 100 частиц в пристеночном слое и в материале стенки (относи-

тельный пространственный масштаб 1÷5.000.000)

Разработанный 3D программный код позволяет подойти к решению

этих задач, сочетая моделирование движения ионов в скрещенных E и H

полях пристеночного слоя (с учетом элементарных процессов ионизации

и рекомбинации) с моделированием методом Монте-Карло взаимодейст-

317

вия частиц с поверхностью – транспорта частиц в твердом теле, принимая

во внимание изложенные выше особенности пристеночной плазмы. Про-

граммная оболочка имеет средства графического интерфейса как для за-

дания входных параметров, так и для представления результатов расчета

(рис.1). Программа может быть использована для изучения различных

процессов, имеющих в своей основе взаимодействие

плазмы с поверхно-

стью твердого тела.

Список литературы

Peter C. Stangeby The Plasma Sheath // Physics of Plasma-Wall Interactions in Con-

trolled Fusion, Plenum, New York, 1986, pp. 41-97

Roland Chodura, Plasma Flow in The Sheath and Presheath of a Scrape-Off Layer // Phys-

ics of Plasma-Wall Interactions in Controlled Fusion, Plenum, New York, 1986, pp. 99-134

Курнаев В.А., Машкова Е.С., Молчанов В.А Отражение легких ионов от поверхно-

сти твердого тела // Энергоатомиздат, 1985, стр. 165-170

Экштайн В. Компьютерное моделирование взаимодействия атомных частиц с твер-

дым телом // М.: Мир, 1995

М.Ю. ХУХРЯНСКИЙ, А.А. ЧЕКАНОВ

, С.Д. КУРГАЛИН

Воронежский государственный университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОПОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ

В НАНОЛИТОГРАФИИ

Одно из основных преимуществ силовых зондовых микроскопов

(СЗМ) – возможность локально изменять свойства и топологию поверхно-

сти (нанолитография). Практически все современные СЗМ поддерживают

функцию проведения нанометровой литографии. А литография позволяет

получать нанометровые структуры для их последующего изучения.

Проблема программного обеспечения (ПО) FemtoScan Online, которое

поставляется вместе с СЗМ FemtoScan, состоит в том, что оно

не имеет

встроенных средств для создания масок литографии. Шаблон для лито-

графии задается графическим .bmp файлом, в котором цветом пикселя

кодируется высота, т.е. карта высот задается цветовой картой, например:

темные участки соответствуют низинам, а светлые – возвышенностям.

Существует достаточное количество графических редакторов, позволяю-

щих редактировать bmp-файлы, от простейших (например, Microsoft Paint

– простая в

использовании программа, которая имеет ограниченные воз-

можности – создать сложную маску в ней очень трудно) до сложных про-

фессиональных (Adobe Photoshop - профессиональное ПО для создания

графических изображений любой сложности. Однако многие возможно-

318

сти данного пакета излишни для создания масок). Но использование гра-

фического редактора для создания шаблона маски не вполне оправдано в

плане наглядности. Оператор должен ясно представлять, каково соответ-

ствие между картой высот и цветовой картой. Этого недостатка лишены

редакторы 3D-моделирования, но они обладают высокой стоимостью и

излишней функциональностью (с позиций создания

маски для нанолито-

графии).

Поэтому было решено создать собственное решение, которое будет

обладать необходимой функциональностью, гибкостью и легкостью в ис-

пользовании, а также обладающее меньшей себестоимостью.

Пакет NanoMask представляет собой 3-х мерный редактор с возможно-

стью экспорта 3D сетки в карту высот. NanoMask имеет модульную

структуру, что позволит при необходимости расширять функциональ-

ность

пакета в дальнейшем. Программа написана на современном языке

C# (для работы программы необходим .NET Framework 2.0) с применени-

ем API DirectX, компании Microsoft, для вывода графики. Выбор техноло-

гий, использованных при написании программы, обусловлен их гибко-

стью, распространенностью и доступностью.

NanoMask просчитывает ограничения на проведение литографии, на-

кладываемые параметрами образца (например, если толщина или длинна

зонда физически не

позволяет произвести литографию с нужным разре-

шением).

При помощи модуля L-sys ПО NanoMask была построена маска с изо-

бражением фрактальной структуры «ковер Серпинского» и проведена

литография по этой маске.

И.В. АЛЕКСАНДРОВ, Р.Г. ЧЕМБАРИСОВА

, Д.С. САФИНА

Уфимский государственный авиационный технический университет

ДЕФОРМАЦИОННОЕ ДВОЙНИКОВАНИЕ

В НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ ТИТАНЕ

Исследована возможность расщепления полных дислокаций на частичные

дислокации двойникующего типа в нанокристаллическом титане. Оценены изме-

нения полной энергии и критические напряжения сдвига, необходимые для испус-

кания головной и замыкающей частичных дислокаций. Продемонстрирована воз-

можность деформационного двойникования.

Как известно [1], размер зерен является одним из важнейших струк-

турных параметров, определяющих деформационное поведение и меха-

нические свойства металлических материалов. В частности, уменьшение

319

размера зерен существенным образом влияет на действующие механизмы

деформации и приводит к повышению прочностных свойств металлов и

сплавов.

Недавние исследования структуры и структурно-чувствительных

свойств нанокристаллических металлов (НКМ) со средним размером зе-

рен менее 100 нм показали, что данный класс материалов обладает уни-

кальными свойствами, отличающимися от таковых, характерных для со-

ответствующих материалов в обычном крупнокристаллическом и даже

ультрамелкозернистом состояниях. Прежде всего, это касается прочност-

ных и в ряде случаев

пластических свойств [2].

Результаты компьютерного моделирования показали, что в ГЦК ме-

таллах при размере зерен всего в несколько десятков нм основным меха-

низмом деформации является испускание частичных дислокаций грани-

цами зерен [3]. Полученные результаты были подтверждены также экспе-

риментально [4]. Кроме того, было обнаружено, что в нанокристалличе-

ском титане с ГПУ-решеткой и

средним значением размера зерен 40 нм

деформационные процессы характеризуются микродвойникованием [5].

Расшифровка кристаллографии микродвойников показала, что они отно-

сятся к двойникующей системе

0011)0001(

До настоящего времени не существует ясного понимания причин рас-

щепления дислокаций и образования деформационных двойников в НКМ

с ГПУ решеткой. Целью настоящей работы явилось исследование воз-

можности расщепления полных дислокаций на частичные дислокации

двойникующего типа с образованием дефектов упаковки в нанокристал-

лическом титане.

Для достижения поставленной цели исследований была разработана

модель эмиссии частичных дислокаций границами зерен, основанная на

расчете энергии дислокаций с учетом рассматриваемой геометрии сколь-

жения. В качестве плоскости скольжения выбрана плоскость базиса

(0001), которая является плоскостью плотнейшей упаковки. Граница зер-

на, из которого осуществляется эмиссия частичных дислокаций, ориенти-

рована вдоль направления плотнейшей упаковки

[

]

1021

Рассмотрены системы скольжения, в которых вектора Бюргерса обра-

зуют с осью

ox, направленной перпендикулярно к границе зерна, разные

углы. Предполагалось, что зерно в исходном состоянии имеет квадратную

форму. Под действием внешнего сдвигового напряжения на каком-либо

из участков границы зерна зарождаются две частичные дислокации.

Предполагается, что граница ориентирована вдоль направления плотней-

шей упаковки

[

]

1021

. Между частичными дислокациями образуется де-

фект упаковки.

320

Считалось, что дислокационные петли, соответствующие указанным

системам лежат в одной плоскости.

Модель использована для расчета изменения полной энергии при ге-

нерации первой частичной дислокации в линейном приближении теории

упругости.

Были рассчитаны изменения полной энергии системы при испускании

ведущей и замыкающей частичных дислокаций и в результате определены

соответствующие критические уровни напряжений.

Рассмотрены

случаи различной ориентации сдвигового напряжения по

отношению к направлению оси ох.

Оценена возможность реализации деформационного двойникования

путем испускания частичных дислокаций для размера зерен в интервале

от 2 до 50 нм.

Список литературы

Фридель Ж. Дислокации // М.: Мир, 1967. с. 643.

E. Ma. Eight routes to improve the tensile ductility of bulk nanostructured metals and al-

loys // JOM, April, p. 49 (2006).

Derlet P.M., Van Swygenhoven H.

Length scale effects in the simulation of deformation

properties of nanocrystalline metals. // Scripta mater., v. 47, p. 719 (2002).

Liao X.Z., Srinivasan S.G., Zhao Y.H., Baskes M.I., Zhu Y.T., Zhou F., Lavernia E.J.,Hu

H.F. Formation mechanism of wide stacking faults in nanocrystalline Al. // Appl. Phys. Lett., v. 84,

p. 3564 (2004).

Носкова Н.И., Перетурина И.А., Столяров В.В., Елкина О.А. Прочность и структура

нанокристаллического Ti. // ФММ, т. 97, с. 106 (2004).

К.Б. УСТИНОВ, А.В. ЧЕНЦОВ

Институт проблем механики РАН

МНОГОМАСШТАБНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

СВЕРХТОНКИХ ПЛАСТИН

Для исследования процесса деформирования сверхтонких слоистых структур,

таких как нанопластины графита, предлагается использовать последовательность

иерархических моделей: атомарную дискретную модель, модель дискретных слоев

и континуальные модели. Рассмотрен пример расчета деформирования углерод-

ной нанопластины с использованием дискретной и континуальной моделей.

При попытках дать адекватное математическое описание механическо-

го поведения объектов микро и нано уровней приходится сталкиваться с

трудностями, нехарактерными для описания макроскопических объектов,