Введение к работе
Актуальность темы. Экспериментальные исследования наночастиц и наноструктур, в том числе наноразмерных гетероструктур, являются как правило затруднительными и дорогостоящими. В еще большей степени это касается осуществления новых нанотехнологических процессов. Теоретические подходы к изучению наносистем также в полной мере не апробированы. Это делает особо актуальной разработку численных и аналитических методов прогнозирования свойств наночастиц и наносистем, а также протекающих в них процессов. Исследование структурных и термодинамических характеристик наночастиц на основе теоретических методов и методов компьютерного моделирования является актуальным как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Фундаментальный аспект значимости исследований в этой области обусловливается тем, что даже использование таких понятий макроскопической термодинамики, как температура плавления, температура кристаллизации и др. применительно к наночастицам требует особого обоснования.
Выбор объектов исследования. Выбор нанокластеров свинца в качестве одного из объектов исследования обусловлен тем, что только для наночастиц свинца имеются согласованные экспериментальные данные по размерным зависимостям температур плавления и кристаллизации [1]. Вместе с тем, нам не известны работы, связанные с изучением плавления и кристаллизации наночастиц свинца с использованием методов компьютерного эксперимента. Напротив, к нанокластерам никеля проявляется особый интерес в связи с перспективами их применения в качестве магнитных элементов памяти нового поколения. Соответственно, имеются результаты компьютерных экспериментов, связанных с изучением структурных и фазовых превращений в наночастицах никеля, включая работу [2].
Конденсация атомов из молекулярных пучком на твердых поверхностях является основой эпитаксиальной и тонкопленочной технологий. Исследования по теме диссертации в этом направлении можно рассматривать как вклад в создание теоретической базы для последующей разработки новых вариантов эпитаксиальной технологии, связанных с формированием наноразмерных гетероструктур и островковых пленок на заранее заданных участках твердой поверхности.
Целью работы является изучение структурных и фазовых переходов в свободных нанокластерах и в наночастицах в силовом поле твердой поверхности, а также сравнение механизмов плавления и кристаллизации для изолированных наночастиц и для гетероструктур на поверхности
твердого тела, полученных при кристаллизации нанокапель, а также в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии. В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследования:
Разработка достаточно универсальной компьютерной программы, позволяющей осуществлять молекулярно-динамическое моделирование в свободных нанокластерах и наночастицах, находящихся в силовом поле твердой поверхности, а также моделирование процессов эпитаксиального роста наноразмерных островков, с использованием различных парных и коллективных потенциалов.
Разработка пакета вспомогательных, но важных компьютерных программ, предназначенных для визуализации результатов компьютерных экспериментов и изучения структурных характеристик наночастиц (первого координационного числа, радиальной функции распределения и др.).
Разработка методики, алгоритмов и программ для визуализации и анализа многогранников Вороново-Делоне, характеризующих структуру леннард-джонсовских и металлических нанокластеров;
Сравнительное молекулярно-динамическое исследование плавления и кристаллизации леннард-джонсовских наночастиц и металлических нанокластеров (свинца и никеля).
Исследование влияния подложки на фазовые переходы первого рода в островковых пленках.
Сравнительных анализ процессов формирования островков на твердых поверхностях при кристаллизации нанокапель и в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии (т.е. при конденсации из атомного пучка наноразмерного сечения).
Научная новизна
Впервые предложена комплексная методика изучения структурных и фазовых превращений в наночастицах, предусматривающая их обнаружение с использованием калорической кривой (зависимости потенциальной части внутренней энергии от температуры), анализа радиальной функции распределения и температурной зависимости первого координационного числа, а также анализа многогранников Вороного-Делоне.
Установлено, что температуры плавления/кристаллизации, найденные по калорической кривой, т.е. по температурной зависимости потенциальной части внутренней энергии и по температурной зависимости первого координационного числа, несколько различаются (не более, чем на несколько К).
Показано, что плавление/кристаллизация леннард-джонсовских и металлических нанокластеров, описываемых потенциалом сильной связи [3], характеризуются в целом одинаковыми закономерностями: имеет место гистерезис плавления/кристаллизации, температура плавления превышает температуру кристаллизации и имеется точка пересечения кривых плавления и кристаллизации, отвечающая размеру нанокластеров порядка 1 нм.
Впервые осуществлено молекулярно-динамическое моделирование плавления и кристаллизации наночастиц свинца с использованием потенциала сильной связи. Качественно полученные результаты согласуются с результатами моделирования наночастиц никеля, а также с результатами лабораторных электронографических экспериментов Р. Кофмана и др.
На основе анализа полученных молекулярно-динамических результатов для наноразмерных объектов впервые введены в рассмотрение понятия температур начала и завершения фазового перехода первого рода, т.е. температур начала и завершения кристаллизации и температур начала и завершения плавления. При этом температура плавления/кристаллизации определяется как среднее арифметическое температур начала и завершения данного фазового перехода.
Впервые исследовано влияние подложки на фазовые переходы первого рода в леннард-джонсовских и металлических наночастицах. Установлено, что подложка повышает температуру фазового перехода и делает его более размытым.
Впервые в компьютерных экспериментах предложен метод обнаружения фазового перехода плавления и нахождения температуры плавления по началу течения («оплывания») наночастицы, помещенной на низкоэнергетическую твердую поверхность.
Установлено, что металлические нанокластеры в силовом поле твердой поверхности проявляют текучесть при температурах, заведомо более низких, чем их температуры плавления и кристаллизации.
Впервые на примере гетероструктур никеля показано, что при заданных температуре и параметрах подложки наноразмерные гетероструктуры, формирующиеся в результате кристаллизации нанокапель на поверхности твердого тела и с использованием процесса молекулярно-лучевой эпитаксии, являются, в некотором приближении, идентичными.
Достоверность результатов обуславливается:
Тщательным тестированием программы;
Сопоставлением полученных результатов с литературными данными;
Согласием с результатами молекулярно-динамического моделирования леннард-джонсовских систем и нанокласеров никеля, осуществленным ранее [2], а также качественным согласим с результатами, полученными с использованием метода Монте-Карло [4].
Практическая значимость изучения структурных и фазовых превращений в наночастицах связана с необходимостью определения интервала штатного функционирования рабочих элементов наноэлектронных схем и иных устройств, в том числе элементов памяти нового поколения, а также широкими перспективами применения наночастиц и наноразмерных гетероструктур в различных областях нанотехнологии.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на III Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (Москва, 2008 г.), Первом международном междисциплинарном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» Low Dimensional Systems (г. Ростов на Дону, 2008 г.), II Международном симпозиуме «Плавление и кристаллизация металлов и оксидов» (г. Ростов на Дону, 2009 г.), Втором международном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» Low Dimensional Systems Low Dimensional Systems (г. Ростов на Дону, 2010 г.), XIV Национальной конференции по росту кристаллов (Москва, 2010 г.), IV Международной конференции «Кристаллофизика XXI века», посвященной памяти М.П. Шаскольской (Москва, 2010 г.) По теме диссертации опубликовано 12 статей, в том числе 2 статьи в журналах из списка ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 103 наименований. Общий объем работы составляет 175 страниц. Материал проиллюстрирован 60 рисунками и 3 таблицами.
Похожие диссертации на Молекулярно-динамическое моделирование структурных и фазовых превращений в свободных нанокластерах и наночастицах на поверхности твердого тела
