ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 9, с. 15-18
УДК 538.95
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АГРЕГАЦИИ НАНОЧАСТИЦ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖКИ ПРИ ТЕРМОВАКУУМНОМ ОСАЖДЕНИИ © 2015 г. В. А. Жабрев1, *, В. И. Марголин2, В. А. Тупик2, Chu Trong Su2
1Санкт-Петербургский государственный технологический институт (ТУ), 190013 Санкт-Петербург, Россия 2Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет ЛЭТИ,
197376Санкт-Петербург, Россия *E-mail: vazabrev2009@rambler.ru Поступила в редакцию 16.01.2015 г.
Приводятся результаты моделирования процессов осаждения наночастиц на поверхность подложки с учетом особенностей структуры поверхности. Два аспекта положены в основу обсуждения проблемы самоорганизации наночастиц: современные представления о природе лабильных химических связей и представления об информационном потенциале с точки зрения влияния связей на состав и строение (ближний и дальний порядок) наночастиц. Проанализированы результаты экспериментов по синтезу пленок меди, их структура и проведено сравнение с данными моделирования.
Ключевые слова: агрегация наночастиц, термическое вакуумное осаждение, самоорганизация, фрактальные структуры, метод молекулярной динамики.
Б01: 10.7868/80207352815090206
ВВЕДЕНИЕ
Развивающееся в настоящее время фрактальное материаловедение основывается на принципах управления свойствами материалов в результате воздействия на фрактальные структуры, возникающие в нелинейных процессах и являющиеся предметом нелинейной динамики. Переход от стадии термодинамической самоорганизации к динамической является неравновесным фазовым (кинетическим) переходом, в процессе которого происходит самоорганизация диссипативных структур, обусловленная стремлением системы к минимуму производства энтропии.
При рассмотрении свойств универсальности фрактальных структур следует иметь в виду явление самоорганизации в открытых неравновесных системах диссипативных структур, приводящее к зарождению и самокопированию фрактальных структур на различных пространственно-временных уровнях. В точках неустойчивости системы фракталы проявляют свои информационные свойства в максимальной мере, поскольку среда находится в сильно возбужденном состоянии, что сопровождается возникновением нелинейных волн и вихрей при переходе от одной старой (на данном пространственно-временном уровне), потерявшей устойчивость фрактальной структу-
ры к другой новой. Если сигналы внешнего воздействия приносят информацию, значит, существует информационное взаимодействие. Информация, содержащаяся в структурах или процессах, изменяет состояние пространства, т.е. порождает информационное поле [1—3].
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ
ПОВЕРХНОСТНОГО СИНТЕЗА НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОК
Ранее было высказано предположение, что самоорганизация — это не полностью стохастическое явление, а, в определенном смысле, детерминированный процесс выбора направлений химической реакции на ее первых стадиях [4]. Многостадийные химические реакции могут протекать по нескольким разным направлениям. Следовательно, только определенная стадия химической реакции может привести к образованию наночастицы с необходимыми свойствами. К движущим факторам самоорганизации можно отнести аномальную величину поверхностной энергии нанообразования. Большая доля поверхностных атомов приводит к увеличению общей энергии индивидуальных нанообъектов и изменению термодинамических функций. Другим фактором "особых" свойств наночастиц является
16
ЖАБРЕВ и др.
их высокая химическая активность, обусловленная лабильной электронной структурой в совокупности с их энергетическими, электрическими и магнитными свойствами и особенностями состояния поверхности. Обобщающий вывод о химической природе самоорганизации можно записать в следующем виде: самоорганизация — это не стохастический, а детерминированный ("осознанный") процесс выбора направлений химической реакции на ее первых стадиях. Именно на первых стадиях определяется маршрут, тогда дальнейшее подчиняется классическим законам [5].
Запасенная энергия наночастиц определяется, в первую очередь, нескомпенсированностью связей поверхностных и приповерхностных атомов. Большинство методов синтеза наночастиц приводит к их получению в неравновесном метаста-бильном состоянии. Это обстоятельство осложняет их изучение и использование в нанотехноло-гии, но, с другой стороны, неравновесность системы позволяет осуществлять необычные, непрогнозируемые и невозможные в равновесных условиях химические превращения [6, 7].
Поверхностные атомы образуют силовое поле, которое способствует образованию на поверхности подвижных групп атомов и ассоциатов с низкой вероятностью их распада. Если рассматриваемая система состоит из двух соприкасающихся частей — поверхностной и объемной — в различных состояниях, то можно говорить о двух фазах вещества. Подчеркнем, что употребляемое в тексте понятие фазы чисто условное. Таким образом, можно сказать, что поверхностная фаза — это чрезвычайно тонкий слой, который существует в состоянии термодинамического равновесия с объемом и обладает своей электронной и пространственной структурами и свойствами, отличными от свойств объемных материалов. Поверхностной фазе, как и объемной, присущи области температурной и концентрационной устойчивости. В целом можно сказать, что поверхностная фаза — это новое вещество, хотя и состоящее из тех же атомов, что и объемное, но обладающее совсем другими характеристиками [8—10].
Безусловно, надо признать, что экспериментальные исследования, проводимые в этом направлении, в основном осуществляются и долгое время, будут осуществляться методом проб и ошибок, что приводит к неоправданному расходованию не только материальных, но и, это главное, интеллектуальных ресурсов. Поэтому целесообразно пользоваться компьютерным и имитационным моделированием, особенно на начальных стадиях процессов агрегации, весьма аккуратно пользуясь закладываемыми в программы физическими и физико-химическими параметрами [11].
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОГО ВАКУУМНОГО НАПЫЛЕНИЯ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ: РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Моделируя процессы осаждения наночастиц на поверхность подложки, можно попытаться предсказать структуру и форму образующейся на-норазмерной пленки [12]. Одним из основных методов получения наноразмерных пленок является, несмотря на его недостатки, метод термического вакуумного напыления. Поэтому выбор параметров, нахождение оптимального решения и понимание сути метода является актуальной задачей, которую можно решить, используя методы компьютерного моделирования [13]. Компьютерное моделирование — мощное средство исследования и понимания изучаемых объектов, особенно на атомно-молекулярном уровне и наноуровне, недоступном для непосредственного наблюдения и анализа [14]. Одним из наиболее перспективных методов компьютерного моделирования является метод молекулярной динамики, весьма эффективный для моделирования поведения большого количества частиц в системе и позволяющий получать полезную информацию не только на нано-и микроуровне, но и на макроуровне.
В данной работе при выборе метода моделирования процесса термического вакуумного напыления было решено использовать классический метод молекулярной динамики по двум основным причинам: процесс происходит в ограниченном пространстве и представляет одну систему (ансамбль) больших частиц; материал испаряемого вещества состоит из атомов или небольших наночастиц, между которыми обычно нет химических связей (или их, в первом приближении, можно не учитывать), и в процессе испарения не проявляются квантовые эффекты.
С помощью проведенных расчетов был исследован процесс напыления с использованием различных форм источников испарения, режимов работы вакуумной установки и проведена 2D-ви-зуализация графических процессов осаждения частиц и их распределения на подложке. В технологии тонких пленок метод термического вакуумного напыления часто используется для осаждения простых веществ, поэтому для описания закона поведения системы атомов в реальных процессах вакуумного напыления можно использовать метод классической молекулярной динамики, в котором движение частиц будет описываться дифференциальным уравнением движения Коши на основе законов Ньютона.
В первом приближении полагаем, что отдельные частицы или их наноразмерные ансамбли не связаны друг с другом. Для удобства моделирования процесса частицам задавалось случайное на-
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АГРЕГАЦИИ НАНОЧАСТИЦ
17
правление движения без учета конвекции. Так как сила тяжести очень мала по сравнению с начальной величиной импульса, частицы движутся равномерно по прямолинейной траектории к подложке, на поверхности которой они осаждаются. При моделировании частицы разделяли на активные и пассивные. К активным относились частицы, которые могут влиять на движение других частиц, а к пассивным — которые вылетели за пределы подложки или конденсировались на поверхности конструкционных элементов установки термического вакуумного напыления и на подложке. Для упрощения задачи принималось, что все частицы летят на подложку, там останавливаются и находятся в состоянии покоя.
Результаты моделирования для точечного и конечного (идеального) источников, у которых частицы не связаны друг с другом, практически совпадают с теоретическими представлениями. Наблюдается небольшое отклонение из-за случайного характера процесса и ограниченного числа итераций. Сравнение двух типов испарителя разных размеров показывает, что фактор размера испарителя оказывает влияние на качество пленки. Эффективность переноса частиц в испарителе конечного размера всегда меньше точечного из-за угла рассеяния, и чем больше размер испарителя, тем меньше эффективность переноса. Как показывают результаты моделирования, случайный характер процесса осаждения частиц проявляется в том, что на поверхности подложки возникают пористые, фрактальные структуры (рисунок) и кластеры [5, 15].
Из проведенных расчетов следует, что чем больше начальная пороговая скорость частиц и среднее расстояние между центрами двух атомов или
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.