Введение к работе
Актуальность темы
Металлические нанопокрытия широко используются во многих областях современной технологии, таких как микроэлектроника, оптика, гетерогенный катализ, производство газовых детекторов и т.д. Границы раздела фаз, которые образуются при взаимодействии переходных металлов с различными оксидами, обладают специфическими физическими свойствами, которые обусловлены появлением поверхностного плазмонного резонанса. Электромагнитные волны, попадая на границу раздела фаз между металлом и диэлектриком, могут спровоцировать резонансное взаимодействие между электромагнитными волнами и подвижными электронами на поверхности металла, когда осцилляции электронов на поверхности совпадают с осцилляпиями волн вне металла. В результате образуются поверхностные плазмоны, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа.
Было установлено, что при напылении металлических пленок с толщиной в несколько нанометров образуются металлические островковые пленки (МОП), т.е. структуры, в которых пленка металла является массивом кластеров, нанесенных на субстрат.
В целом, свойства и характеристики таких покрытий зависят от многих факторов, например, природа металла, форма и размер его кластеров, адсорбированных на поверхности, свойства самого субстрата, условия, при которых металлические пленки наносились на поверхность диэлектрика. Так, в последнее время был разработан уникальный метод получения фотонных гетероструктур, основанный на растворении пленки металла в диэлектрике, на который он был нанесен, под одновременным воздействием электрического поля и повышенной температуры.
Особое место среди таких структур занимают композиты на основе серебра, получаемые осаждением пленок серебра на стекла или кварц, что объясняется тем, что среди металлов серебро обладает самым низким удельным сопротивлением, а кварц широко доступен и имеет уникальные оптические
свойства - инертность, широкие диапазоны оптической и волновой прозрачности, а также низкий коэффициент термического расширения.
Понимание процессов возникающих на границе раздела фаз металл-диэлектрик необходимо для создания новых материалов с заданными свойствами и расширения области их применения. Современные методы квантовой химии являются мощным инструментом, существенно дополняющим экспериментальные результаты и позволяющим понять механизмы взаимодействий, возникающих на границе раздела фаз металл-диэлектрик. Цель работы
Целью данной работы являлось исследование взаимодействий атома, кластеров и тонких пленок серебра с поверхностью а-кварца с помощью современных методов квантовой и вычислительной химии, ориентированных на расчеты твердого тела.
В рамках этой проблемы решались следующие задачи:
1. Построение квантово-химической модели для описания процессов
взаимодействия между кластерами серебра и поверхностью а-кварца (001) с
учетом возможных дефектов в поверхностном слое.
2. Изучение начальных стадий образования границы раздела фаз Ag/SiC^
на примерах расчетов взаимодействий атома серебра и его катиона с идеальной
и дефектной (с примесью А1) поверхностями а-БЮг (001).
3. Анализ влияния электрического поля (амплитуды и направления
вектора напряженности электрического поля) на свойства системы Ag/SiCv
4. Переход от кластерной модели описания системы Ag/SiC^ к модели
сплошной металлической пленки.
Научная новизна результатов
В работе впервые получены следующие результаты:
1. впервые для начальных стадий образования границы раздела фаз Ag/Si02 рассчитаны энергетические барьеры и профили диффузии для атома и катиона серебра на идеальной и дефектной поверхностях a-SiC^ (001);
-
впервые установлено, что наличие примеси А1 в поверхностном слое а-кварца приводит к образованию химической связи между серебром и субстратом и к существенному понижению величины барьера диффузии;
-
сделан вывод о зависимости свойств системы Ag/SiC»2 от амплитуды и направления вектора напряженности электрического поля;
-
впервые выполнены расчеты тонких пленок серебра на поверхности альфа-кварца и установлено, что энергии адгезии тонкой пленки серебра к поверхности оксида кремния зависит от строения поверхности субстрата. Научная и практическая значимость работы
Работа выполнена в лаборатории молекулярной спектроскопии кафедры физической химии Химического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова в соответствии с планом исследований по теме «Строение и динамика атомно-молекулярных систем» (№ госрегистрации 01201168326). Полученные в диссертационной работе данные дают представление о влиянии различных факторов на процессы диффузии и адсорбции серебра, происходящие на поверхности альфа-кварца, позволяют детализировать механизмы взаимодействия кластеров и тонких пленок серебра с субстратом на границе раздела фаз. Предложенная схема изучения образования границы раздела фаз в системе Ag/SiC^ может быть использована для анализа систем с другими металлами. Результаты данной работы могут быть использованы для прогнозирования свойств новых композитных материалов на основе серебра и диоксида кремния. Апробация работы
Основные результаты данной работы были представлены на Международных конференциях: «Третья выставка инновационных проектов Химического факультета» г. Москва, 2011; «Methods and Applications of Computational Chemistry», г. Львов, Украина, 2011; «14 European Symposium on Gas Phase Electron Diffraction» г. Москва, 2011; «7th Congress of the International Society for Theoretical Chemical Physics» г. Токио, Япония, 2011; «20th Conference on Current Trends in Computational Chemistry», г. Джексон, США,
2011; «Modeling Design of Molecular Materials 2012», Вроцлав, Польша; «The VIII Congress of International Society for The Theoretical Chemical Physics», r. Будапешт, Венгрия, 2013; «Methods and Applications of Computational Chemistry», г. Харьков, Украина, 2013. Личный вклад диссертанта
Сбор и анализ литературных данных, участие в постановке задач, разработке путей их решения, обсуждении и интерпретации результатов, проведение вычислений методами квантовой химии, подготовка публикаций и докладов по теме диссертационной работы. Публикации
По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ: 2 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень журналов ВАК РФ, и 8 тезисов докладов на конференциях. Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, методики квантово-химических расчетов, основных результатов и обсуждения, выводов и списка цитируемой литературы из 176 наименований. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста и включает 49 рисунков, 61 формулу и 7 таблиц.
