Химия и химические технологии/5.Фундаментальные проблемы

создания новых материалов и технологий.

Чл.-корр РАН, д.х.н. Жабрев В.А., д.т.н. Марголин В.И., д.т.н. Тупик В.А.,

студент Чу Чонг Шы

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (ТУ), Россия

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ", Россия

Моделирование начальных стадий формирования наночастиц методом молекулярной динамики

Исследования в области нанотехнологии должны опираться на фундаментальные представления о процессах, происходящих на ранних стадиях агрегации атомов и молекул и синтеза наноразмерных пленок и наночастиц. В связи с этим актуальна разработка методик моделирования процессов зарождения и роста таких наночастиц и модельного изучения их структуры с корректировкой моделей по результатам экспериментальных исследований. Моделируя процессы зарождения и динамику роста наночастиц на подложке (двумерный вариант) или в пространстве (трехмерная модель) можно попытаться предсказать структуру и форму наноразмерной пленки или трехмерной наночастицы [1]. Одним из основных методов получения наноразмерных плёнок является метод термического вакуумного напыления (ТВН), несмотря на его недостатки. Поэтому требования выбора параметров, нахождения оптимального решения и понимания сути метода являются актуальной задачей, для решения которой надежным, наглядным и вполне достоверным является использование методов компьютерного моделирования процессов микро- и нанотехнологии [2]. Компьютерное моделирование является мощным средством исследования и понимания исследуемых объектов, особенно на атомно-молекулярном уровне, недоступном нашему непосредственному наблюдению и анализу [3]. Одним из наиболее перспективных методов компьютерного моделирования является метод молекулярной динамики (МД), весьма эффективный для моделирования поведения больших количеств частиц в системе и позволяющий получать полезную информацию не только на нано и микроуровне, но и на макроуровне.

В данной работе при выборе метода моделирования процесса ТВН было решено использовать классический метод МД по двум основным причинам - процесс происходит в ограниченном пространстве подколпачного устройства и представляет одну систему (ансамбль) больших частиц; материал испаряемого вещества состоит из атомов или небольших молекул, между которыми обычно нет химических связей (или их в первом приближении можно не учитывать) и нет квантовых эффектов в процессе испарения.

С помощью проведенных расчетов был исследован процесс напыления с использованием источников испарения различных форм, режимов работы вакуумной установки и проведена 2-D-визуализация графических процессов осаждения частиц и их распределения на подложке. В технологии тонких пленок метод ТВН часто используется для напыления простых веществ, поэтому для описания закона поведения системы атомов в реальных процессах ТВН можно использовать метод классической МД, в котором движение частиц будет описываться дифференциальным уравнением движении Коши на основе законов Ньютона.

В идеальном случае частицы не связаны друг с другом. Для удобства моделирования процесса частицам задавалось случайное направление движения. Т.к. сила тяжести очень мала по сравнению с начальной величиной импульса, то частицы двигаются равномерно по прямолинейной траектории к подложке, достигают её и на ней осаждаются. При моделировании частицы разделяются на активные и пассивные. К активным относились частицы, которые могут влиять на движение других частиц, а к пассивным те, которые вылетели за пределы подложки или конденсировались на поверхность конструкционных элементов установки ТВН и подложки. Для упрощения задачи принималось, что все частицы летят на подложку, там останавливаются и остаются в состоянии покоя.

Результаты моделирования для точечного и конечного (идеального) источников, у которых частицы не связаны друг с другом, практически совпадают с теоретическими представлениями, наблюдается небольшое отклонение из-за случайного характера процесса и ограниченного числа итераций. Сравнение двух типов испарителя показывает, что влияние фактора размера испарителя оказывает влияние на качества пленки, эффективность переноса частиц в испарителе конечного размера всегда меньше точечного, из-за угла рассеянии больше, и чем больше размер испарителя, тем меньше эффективность переноса. Как показывают результаты моделирования, случайный характер процесса осаждения частиц проявляется в том, что на поверхности подложки возникают пористые, фрактальные структуры и кластеры [4,5].

В программе предлагается пользователям много вариантов для реализации экспериментов на своих условиях (разные формы испарителя (круглая, прямоугольная), условия конденсации, коэффициент потерь в процессе отражения и разные коэффициенты, что позволяют учесть неоднородности системы).

Следующим шагом является выбор формы потенциальной связи, так как метод МД базируется на дифференциальном уравнении движения Коши и законе Ньютона, что позволяет отслеживать движения отдельных частиц в системе. Обычно выбирается парная потенциальная связь, которая имеет свои недостатки (особенно в случаи существования химических связей, что приходится учитывать. В данной работе была выбрана парная потенциальная связь и использовались некоторые параметры от полуэмпирического метода или экспериментальные результаты (информация о параметрах исходных материалов, их температура плавления, испарения и т.д.).

Формы источника (прямоугольный и круглый) незначительно влияют на результаты если они малы по сравнению с размерами подложки и далеко находится от источника, однако расчеты показывают, что закон диффузии правильно только для макро-уровня, потому что частицы двигаются по нелинейному закону (парного потенциала Ленарда Джонсона), что даёт не сплошную картинку. В результате можно сформулировать, что не для любых начальных скоростей частицы эффективно осуществляется метод ТВН, что отвечает условиям фазовых переходов материала, а расчет по реальному источнику для нескольких начальных итерации будет сильно различается (носит вероятный характер) от идеального, но при более длительном процессе будет стремиться к идеальному. В дальнейшем предполагается реализовать разные адекватные законы распределения случайных величин и проводить расчет другие возможных показателей (давление, температура, энергия) с помощью метода молекулярной динамики, продолжить моделирование на подложке 3D.

Литература

1. Марголин В.И., Жабрев В.А., Тупик В.А., Аммон Л.Ю. Методы синтеза наноразмерных структур. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2013. 287 с.

2. Бестаев М.В., Жабрев В.А., Марголин В.И., Арутюнянц А.А. Физико-химические и химико-технологические основы субмикронной технологии: Учебное пособие; Сев.-Осет. гос. ун-т им. К.Л. Хетагурова. Владикавказ: Изд-во СОГУ, 2009.- 172 с. гриф УМО.

3. Алфимов М. В. Нанотехнологии. Роль компьютерного моделирования наносистем // Российские нанотехнологии.- 2007, Т. 2.- № 7-8.- С. 1-2.

4. Жабрев В.А., Чуппина С.В., Марголин В.И. Самоорганизация как детерминированный выбор направления химического процесса. Часть II. Информационный и фрактальный аспекты // Нанотехника.- 2012.- № 3.- С. 3 – 11.

5. Л.Ю. Аммон, В.А. Жабрев, В.И. Марголин Моделирование процесса синтеза фрактальных наноразмерных пленок для фрактальных антенн и устройств нанорадиоэлектроники // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ".- 2009.- № 6.- С.