Введение к работе
Актуальность темы. Интерес к наноструктурам связан как с проявлением размерного эффекта, так и с их применением в паноэлектронике, оптике, гетерогенном катализе, для получения функциональных покрытий с высокой прочностью и термостойкостью и т.д. Физика и технология тонких плёнок сейчас бурно развиваются, что обусловлено широким использованием тонких плёнок в ряде технологий (например, при изготовлении полупроводниковых приборов, интегральных схем и уникальных объектов исследований). Поэтому исследования закономерностей формирования тонких плёнок на данный момент очень актуальны. Успехи физики тонких плёнок отражены в монографиях, сборниках, справочниках.
Один из путей создания дискретных наноструктур - вакуумная конденсация из паровой фазы, поскольку при реализации соответствующего механизма роста сконденсированной фазы имеется возможность формирования дискретных наноструктур на поверхности твердого тела. Дискретные наноструктуры на поверхности твердого тела как начальные стадии роста пленок, безусловно, во многом определяют их субструктуру и на стадии наступления сплошности. Для получения наноразмерных гетероструктур с необходимыми свойствами и выбора технологических режимов их производства необходимы знания о закономерностях возникновения, морфологии и структуры отдельных нанокластеров.
Вакуумная конденсация металлов на сколы ионных кристаллов широко используется для изучения закономерностей зарождения и роста тонких пленок по механизму Фольмера и Вебера. Установлено, что увеличение плотности точечных дефектов кристаллической подложки (вакансий, примесных атомов) приводит к увеличению плотности насыщения островков и, как правило, улучшению их эпитаксиальной ориентации. Влияние точечных дефектов - активных центров зарождения — на кинетику образования, роста и на распределение кластеров по размерам достаточно полно описывается микрокинетическими моделями. В этих моделях при составлении кинетических уравнений образования и роста кластеров учитывается плотность активных центров, спектр активностей, возможность их миграции по поверхности подложки.
В то же время ограничены данные о структуре самих нанокластеров на начальных этапах конденсации, когда объекты состоят из нескольких десятков и сотен атомов. Также не раскрыта на атомном уровне природа ориентирующего влияния точечных дефектов кристаллической подложки. Моделирование методом молекулярной динамики даёт возможность выйти на уровень отдельных атомов в исследовании нанокластеров и процесса их роста.
Работа выполнена в региональной лаборатории электронной микроскопии и электронографии Воронежского государственного технического университета в рамках проектов А-0032 и Б-0101 Федеральной целевой программы «Интеграция» и г/б НИР № 1.1.05.
Цель и задачи исследования. Установление методом моделирования молекулярной динамики закономерностей процесса образования одно- и двухкомпонентных металлических нанокластеров на поверхности ионного кристалла.
В соответствии с целью в работе решались следующие задачи:
-
Разработка программного обеспечения с целью молекулярно-динамического моделирования роста малоатомных кластеров на кристаллической подложке.
-
Исследование эволюции формы однокомпонентного металлического кластера в процессе его роста.
-
Исследование смены формы и распределения атомов в процессе роста и при отжиге двухкомпонентного металлического кластера с начальным случайным распределением атомов компонентов.
-
Исследование природы дискриминации 180-градусной ориентации кластеров золота на взаимодополняющих поверхностях (111) флюорита.
Научная новизна исследований.
-
Установлена смена формы роста кластера от двухмерного к трехмерному и механизм автокоалесценции («сворачивание»), при котором происходит резкое сокращение размеров первого слоя.
-
Показано, что в растущем двухкомпонентном кластере с неодинаковой глубиной потенциала межатомного взаимодействия атомов компонентов между собой наблюдается образование ядра кластера из компонента с большей глубиной потенциала и оболочки из компонента с меньшей глубиной потенциала. Установлено, что отжиг двухкомпонентного кластера с первоначально случайным распределением атомов приводит к аналогичному результату.
-
Подтверждена причина наблюдаемой экспериментально дискриминации 180-градусной позиции "треугольных" островков золота на взаимодополняющих поверхностях (111) флюорита: преимущественное зарождение кластеров на анионных вакансиях поверхности подложки.
Объекты исследования.
Объектами исследования являются одно- и двухкомпонентные металлические нанокластеры, получаемые конденсацией в вакууме из паровой фазы на поверхность кристалла.
Основные положения и результаты; выносимые на защиту.
-
При росте однокомпонентного кластера происходит смена формы роста от двухмерной к трехмерной при критическом размере кластера, зависящем от глубины потенциала межатомного взаимодействия.
-
При росте кластера из двухкомпонентного пара ядро кластера образовано компонентом с большей глубиной потенциала межатомного
взаимодействия, а компонент с меньшей глубиной потенциала образует оболочку. Отжиг двухкомпонентного кластера с первоначально случайным распределением атомов приводит к аналогичному результату.
3. Экспериментально наблюдаемая дискриминация 180-градусной позиции "треугольных" островков золота на взаимодополняющих поверхностях (111) флюорита обусловлена преимущественным зарождением кластеров на анионных вакансиях поверхности подложки.
Практическая значимость работы.
Раскрытие механизма влияния анионных вакансий на ориентацию кластера может быть использована при выборе и в технологии обработки кристаллической подложки для получения эпитаксиальных плёнок.
Результаты диссертации могут быть использованы для прогнозирования морфологии двухкомпонентных дискретных наноструктур.
Материалы диссертации могут быть использованы в курсе лекций "Физика тонких плёнок" для студентов в области микроэлектроники и материаловедения.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Международной школе-семинаре "Нелинейные процессы в дизайне материалов" (Воронеж, 2002); II школе-семинаре "Актуальные проблемы современной неорганической химии и материаловедения" (Дубна, 2002); IV Международном семинаре "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении" (Астрахань, 2002); Научной сессии МИФИ-2002; конференции МФТИ им. Ломоносова (Москва, 2004); Nanoparticles, nanostructures and nanocomposites СПб-2004; Международной школе-семинаре "Нелинейные процессы в дизайне материалов" (Воронеж, 2004); IV Международной научной конференции "Кинетика и механизм кристаллизации. Нанокристаллизация. Биокристаллизация." (Иваново, 2006); на ежегодных научных конференциях ВГТУ (2002-2006Г.Г.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 12 научных работ (включая регистрацию программы "Кластер"), в том числе 6 из перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведённых в конце
работы, лично соискателем разработан программный продукт для решения
задачи моделирования молекулярной динамики процесса
кластерообразования; проведено моделирование роста однокомпонентного металлического кластера, роста и отжига двухкомпонентного металлического кластера. Консультации по кинетике образования и роста островковых
пленок проводил к.ф.-м.н., доцент Шведов Е.В. Автор также выражает благодарность научному коллективу лаборатории за помощь в работе.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников из 114 наименования и приложения. Работа изложена на 83 страницах и содержит 30 рисунков, 4 таблицы.
