Исследование процессов осаждения нанопленок на подложку из пористого оксида алюминия методами математического моделирования

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.

Еще

Пористый оксид алюминия, нанопленки, моделирование, модифицированный метод погруженного атома, молекулярная динамика

Короткий адрес: https://sciup.org/14320795

IDR: 14320795   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2016.9.1.6

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.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp