Введение к работе
кандидат химических наук Квашин В.А.
Актуальность темы. В настоящее время в связи с развитием нанотехнологий появляется необходимость разработки принципиально новых методов для фабрикации наноструктур позволяющих создавать наноструктуры по принципу «снизу – вверх» – это подход был предложен ещё Фейнманом и заключается в том, что нанообъект собирается из отдельных атомов и молекул.
Существующие на сегодня технологические подходы для фабрикации наноструктур имеют как определенные преимущества, так и недостатки. В случае стандартной технологии оптической литографии заготовка подвергается обработке лазерным лучом, минимальный размер элементов в таких схемах определяется длиной волны лазерного излучения и ограничен дифракционным пределом разрешения ~ 65 нм. Основной проблемой метода литографии пучками заряженных частиц является наличие кулоновского отталкивания, а химических методик – «островковый» механизм роста слоев, при котором точность воспроизведения отдельных структур ограничена размером образующихся в начальных стадиях пленкообразования зародышей. В связи с этим все больше в технологии производства наноструктур требуются методы, позволяющие реализовать синтез функциональных слоев и элементов непосредственно из атомов, молекул, биологических клеток и т.п. Прогресс в этом направлении достигнут в связи с заметным развитием техники зондовой микроскопии. Ряд методик зондовой микроскопии, хотя и в лабораторных условиях, позволяют наблюдать и модифицировать поверхность с атомарным разрешением. Однако, методы зондовой микроскопии обладают низкой производительностью и по этой причине малоперспективны. Одним из подходов для нанотехнологии по принципу «снизу – вверх» могут оказаться методы, основанные на применении атомной оптики использующей нейтральные атомные пучки, фокусируемые с помощью градиентных лазерных полей. В этой связи весьма перспективной может оказаться поликапиллярная оптика Кумахова, успешно используемая в настоящее время для фокусировки рентгеновского излучения. Представляет интерес исследование возможности использования структур, подобных поликапиллярной оптики Кумахова, для создания управляющего элемента атомной оптики, позволяющего управлять атомным пучком за счет ввода в нее лазерного излучения.
Целью работы явилось проведение комплексного теоретического исследования возможности применения микрокапилляров и поликапиллярных систем для управления атомными пучками. Для достижения цели решались следующие задачи:
– исследовать распределения поля лазерного излучения в стенках поликапиллярной системы;
– исследовать механизм каналирования атома в микрокапилляре;
– разработать модель движения атома в микрокапилляре в поле поверхностной световой волны для двумерного и трехмерного случая;
– исследовать возможность «поперечного охлаждения» атома в поле поверхностной световой волны и разработать модель движения атома в микрокапилляре в поле с учетом «поперечного охлаждения»;
– построить модель для прохождения ансамбля частиц (пучка) через микрокапилляр в поле поверхностной световой волны;
– на основе модели поперечного охлаждения исследовать расходимость атомного пучка в поликапиллярной системе и условия её оптимизации;
– провести исследование возможности практического применения поликапиллярных систем для формирования наноструктур.
Научная новизна. В работе впервые проведены теоретические исследования и построена динамическая и статистическая модели прохождения атомных пучков через поликапиллярные структуры в условиях взаимодействия с поверхностной световой волной. При этом в работе впервые решены вышеуказанные задачи и получены новые результаты:
– получено распределение поля лазерного излучения, вводимого в поликапилляр;
– впервые установлен механизм каналирования атома в микрокапилляре;
– впервые разработана модель движения атома в микрокапилляре в поле поверхностной световой волны для двумерного и трехмерного случая;
– впервые показана возможность поперечного охлаждения атома в поле поверхностной световой волны и разработана модель движения атома в микрокапилляре в поле с учетом поперечного охлаждения;
– впервые создана модель прохождения ансамбля частиц (пучка) через микрокапилляр в поле поверхностной световой волны;
– впервые на основе модели поперечного охлаждения установлена, расходимость атомного пучка в поликапиллярной системе и условия её оптимизации.
Достоверность результатов. Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обусловлена результатами проведенных теоретических исследований и расчетов на основе теории электромагнитных полей, классической теории каналирования частиц и квантовых эффектов, а также непротиворечивостью и соответствием полученных результатов современным научным представлениям и имеющимся в этой области экспериментальным данным.
Практическая значимость работы. Получено распределение поля в стенках поликапилляра в зависимости от взаимного расположения микрокапилляров. Разработана модель, показывающая возможность каналирования атома в поле поверхностной световой волны, не касаясь стенки микрокапилляра. Показано, что существует условие, при котором расходимость атомного пучка будет минимальной. Найдено распределение каналированных атомов на подложке при выполнении условий минимальной расходимости атомного пучка. Рассмотрено условие минимальной расходимости атомного пучка атомов на выходе из микрокапилляра с учетом квантовых поправок. Полученные результаты могут быть использованы при создании эффективной технологии фабрикации наноструктур на базе поликапиллярных систем.
Положения, выносимые на защиту:
– результат теоретического исследования и модель распределения поля лазерного излучения в стенках поликапилляра;
– результаты расчетов и модель движения атома в поле поверхностной световой волны в режиме каналирования без контакта со стенкой микрокапилляра для двумерного и трехмерного случая;
– результаты расчетов и модель движения атома в микрокапилляре в поле поверхностной световой волны с учетом эффекта поперечного охлаждения;
– результаты теоретического исследования и модель прохождения ансамбля атомов (пучка) через микрокапилляр;
– механизм эффективной фабрикации наноструктур и оптимизация процесса формирования наноструктур с помощью поликапиллярной системы;
– распределение атомов на подложке, полученное в результате моделирования, доказывающее возможность эффективного формирования наноструктур.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на IX международной научной конференции «Химия твердого тела: монокристаллы, наноматериалы, нанотехнологии», (Кисловодск, 2009); на X юбилейной международной научной конференции «Химия твёрдого тела: наноматериалы, нанотехнологии», (Ставрополь, 2010). На 4-й международной конференции «Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena», (Италия, 2010).
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 9 работ, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены при непосредственном участии автора, которым была выполнена работа, включая разработку моделей и всех численных расчетов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 115 страницах (включая 54 рисунка, 2 таблицы и список литературы, содержащий 109 названий) и состоит из введения, пяти глав, заключения и трех приложений.
