Введение к работе
Актуальность темы. Изучение закономерностей формирования и поведения объектов наноскопического масштаба сегодня является одним из приоритетных направлений развития науки и техники. Свойства наноразмерных структур существенно отличаются от свойств материала на макромасштабном уровне, как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Многие наноструктуры возникают в процессе самоформирования и самоорганизации различных нанообъектов, а также ансамблей атомов и молекул. В последнее время процессы самоорганизации начинают широко использоваться в науке и технике для получения наноразмерных структур, в том числе в рамках стандартных технологий. В технологии получения наноразмерных структур, как правило, используются различные подходы. Наиболее распространенный из них основан на том, что из исходного материала, например, сверхтонкой гетерогенной пленки с кристаллической структурой, получаемой методом молекулярной эпитаксии, с последующим использованием методов литографии и выборочного травления синтезируется наноразмерный объект. В связи с этим формирование наноструктур осуществляется из заранее готовых наноразмерных блоков материала. Такими блоками, например, могут являться гетерогенные пленки с кристаллической структурой. Существуют методы, позволяющие с молекулярной точностью на основе сверхтонких кристаллических гетерогенных пленок формировать широкий класс наноструктур: трубок, колец, спиралей, кантиливеров и т.д.
Несмотря на успехи, достигнутые в области получения наноструктур, мало изученными остаются атомные механизмы, ответственные за процессы формирования и особенности поведения наноструктур при внешних воздействиях. Например, недостаточно изучены особенности преобразования наноразмерными структурами одного вида энергии в другой. Это представляет значительный интерес как с научной, так и с практической точек зрения. Отметим, что экспериментальные исследования наноструктур сталкиваются со значительными трудностями, связанными с малостью их размеров (единицы и десятки нанометров) и характерных времен рассматриваемых процессов (доли и единицы наносекунд). Преодолеть вышеуказанные трудности при исследовании наноразмерных структур возможно в рамках использования методов компьютерного моделирования.
Одним из наиболее эффективных методов компьютерного моделирования для решения задач, связанных с изучением наноразмерных структур, является метод молекулярной динамики. Он позволяет в явном виде учесть дискретность структуры и интерфейсные границы, которые играют важную роль при формировании наноструктур из сверхтонких пленок и оказывают существенное влияние на особенности их поведения при внешних воздействиях. Компьютерное моделирование наноструктур, основанное на методе молекулярной динамики, позволяет подробно исследовать атомные механизмы, играющие ключевую роль в процессе их формирования и определяющие их отклик в условиях различных видов внешних воздействий. Кроме того, это позволяет в динамике проследить за изменениями атомной структуры, распределения скоростей, сил, напряжений рассматриваемой системы, рассчитать ее энергетические и физико-механические параметры.
Целью диссертационной работы является изучение поведения слоистых наноразмерных структур, получаемых на основе металлических пленок, в условиях внешних воздействий. В соответствии с общей целью в диссертационной ра-
боте были поставлены следующие задачи:
В рамках метода молекулярной динамики развить подход для изучения процессов формирования слоистых наноразмерных структур различной формы на основе металлических пленок.
Изучить влияние геометрических параметров исходных двухслойных металлических пленок на свойства формируемых слоистых наноструктур.
Исследовать кинематические параметры незамкнутых слоистых наноструктур в зависимости от кристаллографической ориентации и степени несоответствия параметров решеток слоев исходных двухслойных металлических пленок.
Исследовать особенности структурных перестроек в тонких слоистых пленках с кристаллической структурой при самосворачивании в незамкнутые наноструктуры.
Исследовать возможность преобразования незамкнутыми слоистыми наноструктурами подводимой к ним тепловой энергии в другие виды энергии. Научная новизна:
Впервые на основе молекулярно-динамического метода проведено исследование динамики процесса формирования наноразмерных структур из металлических гетерогенных пленок.
На основе результатов численного моделирования показана возможность направленного изменения кинематических параметров незамкнутых наноразмерных структур путем варьирования геометрических размеров (длина и толщина) исходных бислойных пленок.
Изучено влияние кристаллографической ориентации и степени несоответствия параметров решеток слоев исходных двухслойных пленок на свойства формируемых незамкнутых наноструктур.
Исследованы атомные механизмы структурных перестроек, определяющие особенности формирования и поведения незамкнутых металлических наноструктур. Показано, что самосворачивание исходной пленки в незамкнутую наноструктуру сопровождается генерацией в ней вихревых коллективных движений атомов.
Проведено исследование поведения незамкнутых наноразмерных структур при импульсном тепловом воздействии и показана возможность трансформации подводимой тепловой энергии в другие виды энергий.
Научная и практическая ценность. Развитый на основе метода молекулярной динамики подход позволяет моделировать динамику формирования и особенности поведения при различных внешних воздействиях наноразмерных структур сложной геометрии, полученных из кристаллических гетерогенных пленок.
В работе показано, что свойства незамкнутых наноразмерных структур можно направленным образом варьировать путем изменения химического состава, геометрических параметров, а также кристаллографической ориентации исходных гетерогенных пленок.
Использование развитого подхода применительно к наноразмерным структурам представляет интерес как для расширения фундаментальных научных знаний, так и для разработки компонентов наноустройств и систем различного функционального назначения. В частности, способность незамкнутых бислойных наноструктур трансформировать тепловую энергию в другие виды энергии позволяет
использовать их при разработке и проектировании нанодвигателей различного назначения.
Положения, выносимые на защиту:
Подход, позволяющий моделировать динамику формирования и поведения слоистых наноразмерных структур, получаемых на основе двухслойных металлических пленок различной конфигурации.
Результаты расчета влияния кристаллографической ориентации исходных двухслойных металлических пленок на кинематические параметры формируемых незамкнутых слоистых наноструктур.
Особенности атомных смещений в двухслойных металлических пленках в процессе их самосворачивания.
4. Возможность преобразования незамкнутыми слоистыми наноразмерными
структурами тепловой энергии в энергию механического движения.
Обоснованность и достоверность результатов, представленных в диссер
тации и сформулированных на их основе выводов, обеспечиваются: корректно
стью постановок рассматриваемых задач и методов их решения; хорошо апро
бированными потенциалами межатомного взаимодействия, позволяющими с
высокой точностью описывать свойства атомных систем, которые наиболее
важны при решении поставленных в диссертации задач; надежно протестиро
ванными компьютерными программами; хорошим согласием расчетных данных
с опубликованными результатами работ других авторов и имеющимися экспе
риментальными данными.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях по физической мезомеханике (г. Томск, 2004, 2006, 2008; Патрас, Греция, 2004), школах-семинарах молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (г. Томск, 2003, 2004, 2005), международной конференции «Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies» - CADAMT (г. Томск, 2003), региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» (НТИ-2004) (г. Новосибирск, 2004), всероссийских конференциях молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (г. Томск, 2004, 2005), международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2004, 2005), международных конференциях по вычислительной механике и современным прикладным программным системам «ВМСППС» (г. Алушта, Украина, 2005, 2007); международной конференции «Advanced Problems in Mechanics» - АРМ (г. Санкт-Петербург, 2008), международных конференциях «Solid state chemistry and modern micro- and nanotechnologies» (Кисловодск, Россия, 2006, 2007, 2008).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 18 работах. Перечень важнейших из них приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы, включающего 135 наименований. Объем диссертации составляет 138 страниц, в том числе 55 рисунков и 6 таблиц.
