Введение к работе
Актуальность темы. Понижение размерности может приводить к существенному изменению свойств материалов. Достаточно давно известно, что свойства малых частиц вещества в значительной степени отличаются от свойств массивного материала. С другой стороны, макроскопический объемный материал, имеющий нанокристаллическую структуру, приобретает целый ряд свойств, которые невозможно получить в материалах других (поликристаллической и даже монокристаллической) структур. Магнитные, сверхпроводящие, полупроводниковые, механические и другие свойства для материалов, находящихся в макроскопическом объеме, достигли своих максимальных значений, и очень трудно добиться улучшения каких-то характеристик за счет более совершенной технологии или изменения концентрации составляющих элементов. Дальнейший прогресс в получении материалов с новыми свойствами связан с такими изменениями в структуре, которые оказывают влияние на свойства, характерные для макроскопических объектов. В настоящее время первостепенное значение имеют фундаментальные исследования, направленные на создание принципиально новых технологических процессов и продуктов. Поэтому нано-технология (т.е. технология объектов нанометрового масштаба) стала приоритетным направлением исследований. Возможно, нанотехнология сможет усовершенствовать некоторую часть морально устаревших и неэффективных процессов производства, но все-таки ее главное место - в новых областях, в которых традиционными методами невозможно достигнуть требуемых результатов.
Образование периодически упорядоченных структур на поверхности и в эпитаксиальных пленках металлов и полупроводников охватывает широкий круг явлений в физико-химии твердого тела. Актуальность исследований в данной области обусловлена необходимостью получения наноструктур с характерными размерами 1-100 нм.
Наноструктуры представляют самостоятельный фундаментальный научный интерес как объекты для изучения размерной зависимости структуры и свойств материалов. В то же время современные технологии позволяют реализовать размерный эффект свойств в конструкционных материалах субструктурного дизайна, что, в свою очередь, требует знания закономерностей формирования компактных наноструктур.
Исходя из вышеизложенного формулировали цель и ставили задачи данной работы. Работа выполнена в региональной лаборатории электронной микроскопии и электронографии ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (гос. контракт № 02.740.11.0126), поддержана грантом Президента РФ по поддерж-
ке ведущих научных школ № НШ-3898.2008.3 и грантом РФФИ 08-08-00214-а: «Закономерности формирования, структура и водородная проницаемость пленок Pd и сплавов на его основе».
Цель работы: выявление закономерностей кинетики образования нанокристаллов на поверхности с развитой морфологией при вакуумной конденсации металлов.
В соответствии с целью в работе решались следующие задачи:
расчет режимов конденсации, необходимых для формирования на-нопроволок на ступенях кристаллической подложки;
исследование методом молекулярной динамики кинетики образования и ориентации кластеров металлов на поверхности кристалла, содержащей активные центры зарождения;
исследование зависимости плотности островков на поверхности с открытой пористостью и глубины заполнения пор от параметров вакуумной конденсации и рельефа поверхности методом численного решения уравнений диффузии и кинетики зародышеобразования.
Для выполнения поставленных задач в рамках предложенных моделей решались уравнения диффузии (аналитически и численно), а также проводилось моделирование методом молекулярной динамики зарождения и роста металлического кластера на анионной вакансии и на обычных узлах адсорбции.
Объекты исследования: островковые пленки Аи на ионных кристаллах; пленки Pd на поверхности с открытой пористостью (Ті02, нержавеющая сталь XI8Н10Т).
Научная новизна.
-
Впервые определены условия, необходимые для образования на-нопроволок на ступенях кристаллической диэлектрической подложки при вакуумной конденсации металлов из пара. Рассчитано время формирования нанопроволок при разных значениях температуры подложки и скорости конденсации. Получен патент РФ на изобретение «Способ формирования проводящего элемента нанометрового размера».
-
Методом молекулярной динамики исследовано влияние анионной вакансии ЩГК на ориентацию малоатомного кластера Аи в процессе его зарождения и роста. Установлено, что ориентация кластера определяется геометрией потенциального рельефа в окрестности вакансии и соотношением глубин потенциалов взаимодействия атомов конденсата с различными (металл, галоген) атомами подложки.
-
Получены данные о кинетике формирования нанокристаллической структуры на поверхности с открытой пористостью (Ті02, нержавеющая сталь Х18Н10Т) при вакуумной конденсации Pd.
4. Впервые рассчитана глубина пор, которые может заполнить конденсируемый материал (Pd) при разных параметрах конденсации и разном рельефе поверхности с открытой пористостью.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
-
Определены условия формирования нанопроволок на ступенях поверхности ионных кристаллов при разных параметрах конденсации Аи (скорости конденсации и температуры подложки).
-
Методом молекулярной динамики показано, что анионная вакансия на поверхности кристалла NaCI оказывает ориентирующее влияние на кластер Аи.
-
На начальном этапе вакуумной конденсации Pd на поверхность с открытой пористостью (ТЮ2, нержавеющая сталь Х18Н10Т) степень заполнения подложки зависит от угла между нормалью к поверхности и направлением потока конденсируемых атомов.
-
Глубина заполнения пор при вакуумной конденсации Pd на поверхность с открытой пористостью (ТЮ2, нержавеющая сталь Х18Н10Т) при определенных параметрах конденсации и радиусе поры может достигать 28 мкм.
Практическая значимость работы.
Предложен новый способ формирования проводящего элемента на-нометрового размера. Практическим результатом изобретения является создание простой и эффективной технологии формирования твердотельных одномерных проводящих наноструктур (патент РФ № 2401246).
Результаты моделирования роста методом молекулярной динамики металлического кластера на ЩГК раскрывают механизм ориентирующего влияния анионных вакансий и могут быть использованы для прогноза плотности и ориентации наночастиц на поверхности монокристаллов.
Расчет кинетики формирования нанокристаллической структуры на поверхности ТТО2 при вакуумной конденсации Pd может быть использован при выборе оптимальных условий конденсации для создания композиционных мембран, обладающих большой эффективной проницаемостью водорода.
Диффузионные уравнения и их решения могут быть использованы в учебном процессе при подготовке студентов ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», специализирующихся в области физического материаловедения, как примеры различных диффузионно-контролируемых процессов при росте нанокристаллов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IV Международной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Нанокристаллизация. Биокристаллизация» (Иваново, 2006), VI Всероссийской школе-конференции «Нелинейные процессы и
проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (Воронеж, 2007).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 научных работах, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 патент РФ на изобретение.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1,2,7,8] - расчет режимов роста нанопроволок на ступенях кристаллической диэлектрической подложки при вакуумной конденсации Аи; [4] - разработка нового способа получения нанопроволок; [3, 5, 6] - исследование роста островковой пленки Аи на поверхности кристалла NaCl.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 172 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 97 страницах, содержит 34 рисунка и 4 таблицы.
