ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 6, с. 864-866
УДК 538.91
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ В НАНОКЛАСТЕРАХ Ni И Cu ПРИ ПРОЦЕССАХ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ
© 2015 г. Ю. Я. Гафнер, С. Л. Гафнер
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Хакасский государственный университет имени Н.Ф. Катанова", Абакан
E-mail: ygafner@khsu.ru
Изучена возможность использования единичных нанокластеров Cu и Ni в качестве отдельных битов информации в устройствах памяти, построенных на принципе изменения фазового состояния носителя. Определен предельный размер наночастицы, при котором еще возможен необходимый для записи информации структурный переход "порядок—беспорядок".
DOI: 10.7868/S0367676515060101
Так как именно наноэлектроника сейчас находится на переднем крае науки, перед ней ставятся самые грандиозные задачи, решение которых возможно только при использовании комплексного подхода, требующего объединения усилий физиков, химиков, специалистов по электронике и моделированию. Одна из таких типичных задач — скачкообразное развитие технических характеристик долговременных запоминающих устройств.
Мы остановимся на методике хранения информации с использованием систем, изменяющих фазовое состояние носителя [1]. Принцип записи состоит в том, что некий носитель находится в кристаллическом состоянии, при записи информации лазерный луч кратковременным импульсом нагревает небольшой участок носителя до температуры выше его температуры плавления. После прекращения действия лазера температура разогретого участка с типичным сейчас размером около 100 нм начинает резко падать со скоростью отвода тепла более 109 К/с. При такой сверхвысокой скорости охлаждения участок формирует аморфную фазу, обладающую иными, по сравнению с кристаллическим участком, оптическими, электрическими и некоторыми другими свойствами. Таким способом происходит запись одного бита информации. Для стирания этого бита необходимо вновь расплавить данный участок носителя до более низкой температуры рекристаллизации и дождаться полного перехода аморфной фазы в кристаллическую.
Дальнейшая эволюция данной методики требует уменьшения области носителя предназначенного для хранения одного бита и сокращения времени доступа. Однако для этого необходимо детальное исследование процессов, происходящих при записи информации в таком малом объеме и временном интервале, но так как определение кластерной структуры экспериментальными
методами связано со значительными трудностями, многие исследователи обращаются к компьютерной имитации [2]. Исходя из этого, мы провели компьютерное моделирование процессов структу-рообразования кластеров никеля и меди при условии сверхбыстрой закалки с целью определения имеющихся базисных закономерностей. При моделировании была использована компьютерная программа MDNTP, разработанная Dr. Ralf Meyer, Universität Duisburg Germany и основанная на методе молекулярной динамики. Для вычисления сил, действующих между атомами, использовали модифицированный потенциал сильной связи [3]. Температуру в процессе моделирования определяли посредством средней кинетической энергии атомов, которую рассчитывали на основе скоростного алгоритма Верлета [4] с шагом по времени h = 2 фс. Процесс структурирования малых металлических частиц из жидкой фазы исследовали по линии постоянной энергии Е (микроканонический ансамбль) с помощью термостата Андерсена (Andersen) [5], что позволяет имитировать методику охлаждения нанокластеров с различными скоростями.
Рассмотрение полученных результатов начнем с нанокластеров никеля. Главным итогом моделирования оказалось то, что при нагреве нанокластеров различного диаметра (D = 1.6—3.6 нм) выше температуры плавления с последующим постепенным их охлаждением процесс формирования структуры очень сильно зависел от скорости отвода тепла. Анализ полученных нами данных показал, что для кластеров никеля, диаметр которых не превышал 2.8 нм при времени охлаждения t = 0.2 нс, в полученных структурах превалировала икосаэд-рическая фаза (Ih). С увеличением времени охлаждения до t = 2.0 нс доля кластеров с икосаэдри-ческим построением атомов довольно равномерно уменьшалась. Что касается конкуренции ГЦК
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ В НАНОКЛАСТЕРАХ N1 И Си
865
Рис. 1. Аморфноподобная структура кластера N1 (Б = = 2.9 нм) с зародышем икосаэдрической фазы, полученная при охлаждении частицы от температуры 1800 К до 300 К и времени охлаждения I = 0.2 нс.
(ГПУ) и икосаэдрических (/к) фаз, то проведенные исследования свидетельствуют о влиянии здесь не только скорости охлаждения, но и размерных эффектов.При большой скорости охлаждении (I = 0.2 нс) для кластеров никеля с Б < 2.8 нм только в 10% проведенных экспериментов формировалась ГЦК-структура или смесь из ГЦК- и ГПУ-фаз. Здесь в основном происходит перестройка структуры кластеров в направлении икосаэдрической фазы.
Полученная тенденция нарушалась для кластеров с диаметром более 2.8 нм. Кластеры такого размера при времени охлаждения от Т = 1800 К до Т = 300 К всего 0.2 нс, часто не успевают правильно реорганизовать атомное окружение из-за чего в значительной мере начинает проявляться аморфная фаза. Так, при Б = 3.6 нм аморфная модификация наблюдалась в 30%, а икосаэдрическая — только в 10% проведенных опытов. Однако уже при времени протекания процесса I = 0.5 нс аморфная фаза фиксировалась в 10%, с ростом вероятности формирования 5 частичной (икосаэдрической) симметрии в 3 раза. При наиболее медленно протекающей кристаллизации (время охлаждения I = 2.0 нс) аморфная структура уже не реализовывалась, а икосаэдрическая встречалась в 40% моделирований. Необходимо отметить, что многие наблюдаемые аморфноподобные структуры осуществляли попытку перехода к /й-модификации (рис. 1).
Отмеченные выше закономерности далее проверяли на нанокластерах меди. Было показано, что при условии охлаждения из жидкой фазы возможна реализация самых разных кристалличе-
Рис. 2. Некоторые возможные конфигурации нано-кластеров меди (Б = 3.26 нм), полученные при охлаждении из расплава до комнатной температуры: а — икосаэдрическая; б — ГЦК.
ских структурных модификаций (рис. 2). Аналогично нанокластерам никеля процесс формирования структуры медных кластеров очень сильно зависел от скорости охлаждения, а именно: процент появления икосаэдрической фазы увеличивался довольно равномерно с увеличением скорости охлаждения.
Сравнительный анализ результатов компьютерных экспериментов показывает наличие общих закономерностей в формировании внутрен-
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 6 2015
866
Ю. Я. ГАФНЕР, С. Л. ГАФНЕР
ней структуры кластеров N1 и Си: при медленном протекании процесса кристаллизации формируются плотноупакованные структуры, в случае быстрого охлаждения формируется преимущественно икосаэдрическая фаза. При большой скорости охлаждения преобладающей структурой кластеров меди и никеля с диаметром большим 3.5—3.7 нм будет аморфная.
Таким образом, были изучены процессы образования внутреннего строения в нанокластерах меди и никеля при условии сверхбыстрой закалки, типичной для запоминающих устройств с изменением фазового состояния носителя информации. В ходе моделирования весьма наглядно прослеживалась роль размерных эффектов в формировании структур кластеров, а также скорости, с которой происходил отвод тепла. Все эти особенности необходимо учитывать при вероятном использовании малых нанокластеров N1 или Си в устройствах с изменением фазового состояния носителя. Технически удобнее для этого фазовый пере-
ход из кристаллического состояния в аморфное, но возможно также применение переходов типа ГЦК-икосаэдр, что является наиболее оправданным при размерах однобитного металлического домена до 3 нм. При размере частиц более 3. 5 нм для записи информации может быть применен структурный переход "порядок—беспорядок".
Представляемая работа была выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2007. 496 с.
2. Frenkel A.I., Nemzer S., Pister I., Soussan L., Harris T., Sun Y., Rafailovich M.H. // J. Chem. Phys. 2005. V. 123. P. 184701.
3. Cleri F., Rosato V. // Phys. Rev. В. 1993. V. 48. P. 22.
4. Tao Pang. An introduction to computational physics. Cambridge: Univ. Press, 2006. 385 p.
5. Andersen H.C. // J. Phys. Chem. 1980. V. 72. P. 2384.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79
№ 6 2015
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.