научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АГРЕГАЦИИ НАНОЧАСТИЦ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖКИ ПРИ ТЕРМОВАКУУМНОМ ОСАЖДЕНИИ Физика

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АГРЕГАЦИИ НАНОЧАСТИЦ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖКИ ПРИ ТЕРМОВАКУУМНОМ ОСАЖДЕНИИ»

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.

Показать целиком