Исследование процессов осаждения нанопленок на подложку из пористого оксида алюминия методами математического моделирования
Автор: Вахрушев Александр Васильевич, Северюхин Александр Валерьевич, Федотов Алексей Юрьевич, Валеев Ришат Галеевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 1 т.9, 2016 года.
Бесплатный доступ
В работе приведена постановка задачи и описание методики изучения процессов осаждения нанопленок на подложку из пористого алюминия. Рассмотрены уравнения, составляющие основу многочастичного потенциала, отвечающего модифицированному методу погруженного атома. В качестве осаждаемых материалов брались золото, серебро, железо, галлий, германий и палладий. Расчеты показали, что существуют разные механизмы заращивания пористой подложки из оксида алюминия данными материалами. Для каждого из типов осаждаемых атомов были зафиксированы свои процессы взаимодействия наноструктур и механизмы заращивания подложек и пор. Так, атомы серебра и золота равномерно закрывали поры нанопленкой без проникновения внутрь их, имело место лишь незначительное проседание нанопленки в поры. Атомы железа генерировали наноструктуры в безвоздушной среде над подложкой; заращивание подложки происходило по островному принципу; мелкие наноструктуры железа на подложке постепенно укрупнялись и группировались в бóльшие по размеру; наблюдалось образование наноструктуры железа внутри поры. При осаждении атомов галлия пора также полностью не зарастала, а нанопленка на поверхности подложки формировалась в виде отдельных областей; были заметны небольшие наночастицы галлия на поверхности подложки. Палладий порождал равномерную пленку с небольшим проседанием в области поры; при осаждении атомов палладия непосредственно над порой на протяжении всего этапа конденсации сохранялось отверстие, которое так и не заросло. У всех типов осаждаемых атомов имелись единичные экземпляры, которые достигали дна поры. Наиболее полное и плотное заращивание поры зафиксировано при эпитаксии галлия. Установлено, что пора, заполненная атомами, может рассматриваться как квантовая точка и использоваться для получения оптических и электрических эффектов. Сформулированы практические рекомендации для производства нанопленочных материалов различной структуры. Методики осаждения наноразмерных пленок могут применяться для контроля в конкретных технологических процессах, а также для прогнозирования и проектирования нанопленочных материалов.
Пористый оксид алюминия, нанопленки, моделирование, модифицированный метод погруженного атома, молекулярная динамика
Короткий адрес: https://sciup.org/14320795
IDR: 14320795 | УДК: 539.216+539.231 | DOI: 10.7242/1999-6691/2016.9.1.6
Investigation of deposition of nanofilms on a porous aluminium oxide substrate by mathematical modeling techniques
The paper presents a formulation of the problem and the methods used to study the deposition of nanofilms on a porous alumina substrate. The equations of a modified embedded-atom method that form the basis for the many-particle interaction potential are described. Aurum, argentum, iron, gallium, germanium and palladium were used as the materials to be deposited. Various mechanisms involved in the occlusion of the pores of alumina substrate with these materials were determined. Different processes of interaction between the nanostructures were observed for different types of deposited atoms. Slight sagging of nanofilms occurred in the region of a pore. The iron atoms formed nanostructures in the air above the substrate. The coating substrate occurred on island basis. Small iron nanostructures on the substrate were gradually being consolidated and grouped into larger nanostructures. Generation of iron nanostructures within the pores was observed. In the process of deposition of gallium atoms, a pore was not completely occluded as well, and a nanofilm was formed on the substrate surface as separate areas. Small gallium nanoparticles were formed on the substrate surface. Palladium generated a uniform nanofilm with a slight sagging in the pore area. When palladium atoms were deposited directly over the hole, throughout the condensation phase one could observe a hole, which was not occluded during the modeling process. In all types of deposited atoms there were single atoms, which reached the bottom of the pores. The most complete and dense filling of pores was obtained in the course of epitaxy of gallium. Pores filled by atoms can be regarded as quantum dots and used to obtain optical and electrical effects. Recommendations for obtaining nanofilm materials of different structures are presented. Nanoscale film deposition techniques show promise for some specific manufacturing processes and can be used to predict the behavior of available nanofilm materials and to create new nanofilm materials.
Список литературы Исследование процессов осаждения нанопленок на подложку из пористого оксида алюминия методами математического моделирования
- Mozalev А., Sakairi M., Saeki I., Takahashi H. Nucleation and growth of the nanostructured anodic oxides on tantalum and niobium under the porous alumina film//Electrochim. Acta. -2003. -Vol. 48. -P. 3155-3170.
- Лазарук С.К., Кацуба П.С., Лешок А.А., Высоцкий В.Б. Влияние локальной напряженности электрического поля на формирование упорядоченной структуры пористого анодного оксида алюминия//ЖТФ. -2015. -Т. 8, № 9. -С. 86-90.
- Войтович И.Д., Лебедева Т.С., Шпилевой П.Б., Беднов Н.В. Покрытия из нанопористого анодного оксида алюминия для сенсорных применений//Наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии. -2014. -Т. 12, № 1. -С. 169-180.
- Vasiliev A.A., Pavelko R.G., Gogish-Klushin S.Yu., Kharitonov D.Yu., Gogish-Klushina O.S., Sokolov A.V., Pisliakov A.V., Samotaev N.N. Alumina MEMS platform for impulse semiconductor and IR optic gas sensors//Sensor. Actuat. B-Chem. -2008. -Vol. 132, no. 1. -P. 216-223.
- Филяк М.М., Каныгина О.Н. Особенности формирования анодного оксида алюминия в щелочных электролитах//Вестник ОГУ. -2013. -№ 1 (150). -С. 154-159.
- Grynko D., Grytrsenko K., Lozovski V., Sopinskyy M., Strilchuk G. Optical absorption of nano-composite thin films of Au in Teflon//Materials Sciences and Applications. -2010. -Vol. 1, no. 3. -P. 141-151.
- D’Addabbo A., Valentini A., Convertino A. Swelling of CFx and CFx(Au) films//J. Appl. Phys. -2000. -Vol. 87, no. 1. -P. 2039-2043.
- Basim G.B., Karagoz A., Ozdemir Z. Metal oxide nano film characterization for CMP optimization//ECS Trans. -2013. -Vol. 50, no. 39. -P. 3-7.
- Trakhtenberg L.I., Gerasimov G.N., Gromov V.F., Belysheva T.V., Ilegbusi O.J. Gas semiconducting sensors based on metal oxide nanocomposites//Journal of Materials Science Research. -2012. -Vol. 1, no. 2. -P. 56-68.
- Голицына О.М., Дрождин С.Н., Нечаев В.Н., Висковатых А.В., Кашкаров В.М., Гриднев А.Е., Чернышев В.В. Диэлектрические свойства пористых оксидов алюминия и кремния с включениями триглицинсульфата и его модифицированных аналогов//ФТТ. -2013. -Т. 55, № 3. -С. 479-484.
- Чукавин А.И., Валеев Р.Г., Бельтюков А.Н. Синтез наноразмерных структур на основе германия в матрице пористого оксида алюминия//Вестник Удмуртского университета. Серия: Физика. Химия. -2011. -№ 4-2. -С. 3-7.
- Валеев Р.Г., Бельтюков А.Н., Сурнин Д.В., Закирова Р.М., Ветошкин В.М. Люминесценция наноструктур Ge в пористом Al2O3//Химическая физика и мезоскопия. -2014. -Т. 16, № 1. -С. 115-118.
- Валеев Р.Г., Романов Э.А., Хохряков С.В. Люминесценция наноструктур ZnS и ZnSe в пористых матрицах анодного оксида алюминия//Известия РАН. Серия физическая. -2011. -Т. 75, № 11. -С. 1573-1574.
- Медведева С.Ю. Получение оптически активных структур на основе гидроокиси и оксида алюминия с добавлением ионов металлов//Труды МФТИ. -2010. -Т. 2, № 1 (5). -С. 37-42.
- Vakhrushev A.V., Fedotov A.Y., Vakhrushev A.A., Golubchikov V.B., Givotkov A.V. Multilevel simulation of the processes of nanoaerosol formation. Part 1. Theory foundations//Nanomechanics Science and Technology. -2011. -Vol. 2, no. 2. -P. 105-132.
- Вахрушев А.В., Федотов А.Ю. Исследование процессов формирования композиционных наночастиц из газовой фазы методом математического моделирования//Химическая физика и мезоскопия. -2007. -Т. 9, № 4. -С. 333-347.
- Vakhrouchev A.V. Simulation of nano-elements interactions and self-assembling//Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. -2006. -Vol. 14, no. 6. -P. 975-991.
- Vakhrouchev A.V. Computer simulation of nanoparticles formation, moving, interaction and self-organization//J. Phys.: Conf. Ser. -2007. -Vol. 61, no. 1. -P. 26-30.
- Вахрушев А.В., Федотов А.Ю. Исследование вероятностных законов распределения структурных характеристик наночастиц, моделируемых методом молекулярной динамики//Вычисл. мех. сплош. сред. -2009. -Т. 2, № 2. -С. 14-21.
- Wadley H.N.G., Zhou X., Johnson R.A., Neurock M. Mechanisms, models and methods of vapor deposition//Prog. Mater. Sci. -2001. -Vol. 46, no. 3-4. -P. 329-377.
- Song H., Ilegbusi O.J., Trakhtenberg L.I. Modeling vapor deposition of metal/semiconductor-polymer nanocomposite//Thin Solid Films. -2005. -Vol. 476, no. 1. -P. 190-195.
- Lennard-Jones J.E. On the determination of molecular fields. II. From the equation of state of a gas//Proc. Roy. Soc. A. -1924. -Vol. 106, no. 738. -P. 463-477.
- Lennard-Jones J.E. Wave functions of many-electron atoms//Math. Proc. Cambridge. -1931. -Vol. 27, no. 3. -P. 469-480.
- Зиненко В.И., Сорокин Б.П., Турчин П.П. Основы физики твердого тела. -М.: Физматлит, 2001. -336 с.
- Stoddard S.D., Ford J. Numerical experiments on the stochastic behavior of a Lennard-Jones gas system//Phys. Rev. A. -1973. -Vol. 8, no. 3. -Р. 1504-1512.
- Кривцов А.М., Кривцова Н.В. Метод частиц и его использование в механике деформируемого твердого тела//Дальневосточный математический журнал. -2002. -Т. 3, № 2. -С. 254-276.
- Daw M.S., Baskes M.I. Embedded-atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals//Phys. Rev. B. -1984. -Vol. 29, no. 12. -P. 6443-6453.
- http://www.fisica.uniud.it/~ercolessi/(дата обращения: 24.02.2016).
- Stillinger F.H., Weber T.A. Computer simulation of local order in condensed phases of silicon//Phys. Rev. B. -1985. -Vol. 31, no. 8. -P. 5262-5271.
- Tersoff J. New empirical approach for the structure and energy of covalent systems//Phys. Rev. B. -1988. -Vol. 37, no. 12. -P. 6991-7000.
- Daw M.S., Baskes M.I. Semiempirical, quantum mechanical calculations of hydrogen embrittlement in metals//Phys. Rev. Lett. -1983. -Vol. 50, no. 17. -P. 1285-1288.
- Daw M.S. Model of metallic cohesion: The embedded-atom method//Phys. Rev. B. -1989. -Vol. 39, no. 11. -P. 7441-7452.
- Baskes M.I. Modified embedded-atom potentials for cubic materials and impurities//Phys. Rev. B. -1992. -Vol. 46, no. 5. -P. 2727-2742.
- Ruda M., Farkas D., Abriata J. Interatomic potentials for carbon interstitials in metals and intermetallics//Scripta Mater. -2002. -Vol. 46, no. 5. -P. 349-355.
- Tomar V., Zhou M. Classical molecular-dynamics potential for the mechanical strength of nanocrystalline composite fcc Al+α-Fe2O3//Phys. Rev. B. -2006. -Vol. 73, no. 17. -174116.
- Hohenberg P., Kohn W. Inhomogeneous electron gas//Phys. Rev. B. -1964. -Vol. 136, no. 3. -P. 864-871.
- Kelchner C.L., Plimpton S.J., Hamilton J.C. Dislocation nucleation and defect structure during surface indentation//Phys. Rev. B. -1998. -Vol. 58, no. 17. -P. 11085-11088.
- Вахрушев А.В., Федотов А.Ю., Северюхин А.В., Суворов С.В. Моделирование процессов получения специальных наноструктурных слоев в эпитаксиальных структурах для утонченных фотоэлектрических преобразователей//Химическая физика и мезоскoпия. -2014. -Т. 16, № 3. -С. 364-380.
