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

Авторы

  • Александр Васильевич Вахрушев Институт механики УрО РАН
  • Александр Валерьевич Северюхин Институт механики УрО РАН
  • Алексей Юрьевич Федотов Институт механики УрО РАН
  • Ришат Галеевич Валеев Физико-технический институт УрО РАН

DOI:

https://doi.org/10.7242/1999-6691/2016.9.1.6

Ключевые слова:

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

Аннотация

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.

Скачивания

Данные по скачиваниям пока не доступны.

Библиографические ссылки

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.
2. 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. DOI
3. 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.
4. 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. DOI
5. Филяк М.М., Каныгина О.Н. Особенности формирования анодного оксида алюминия в щелочных электролитах // Вестник ОГУ. - 2013. - № 1 (150). - С. 154-159.
6. 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. DOI
7. 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. DOI
8. 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. DOI
9. 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. DOI
10. 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. DOI
11. 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.
12. 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.
13. 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. DOI
14. 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.
15. 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. DOI
16. 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.
17. Vakhrouchev A.V. Simulation of nano-elements interactions and self-assembling // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. - 2006. - Vol. 14, no. 6. - P. 975-991. DOI
18. 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. DOI
19. 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. DOI
20. 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. DOI
21. 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. DOI
22. 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. DOI
23. Lennard-Jones J.E. Wave functions of many-electron atoms // Math. Proc. Cambridge. - 1931. - Vol. 27, no. 3. - P. 469-480. DOI
24. Зиненко В.И., Сорокин Б.П., Турчин П.П. Основы физики твердого тела. - М.: Физматлит, 2001. - 336 с.
25. 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. DOI
26. 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.
27. 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. DOI
28. http://www.fisica.uniud.it/~ercolessi/ (дата обращения: 24.02.2016).
29. 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. DOI
30. Tersoff J. New empirical approach for the structure and energy of covalent systems // Phys. Rev. B. - 1988. - Vol. 37, no. 12. - P. 6991-7000. DOI
31. 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. DOI
32. Daw M.S. Model of metallic cohesion: The embedded-atom method // Phys. Rev. B. - 1989. - Vol. 39, no. 11. - P. 7441-7452. DOI
33. Baskes M.I. Modified embedded-atom potentials for cubic materials and impurities // Phys. Rev. B. - 1992. - Vol. 46, no. 5. - P. 2727-2742. DOI
34. 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. DOI
35. 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. DOI
36. Hohenberg P., Kohn W. Inhomogeneous electron gas // Phys. Rev. B. - 1964. - Vol. 136, no. 3. - P. 864-871. DOI
37. 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. DOI
38. 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.

Загрузки

Опубликован

2016-03-30

Выпуск

Раздел

Статьи

Как цитировать

Вахрушев, А. В., Северюхин, А. В., Федотов, А. Ю., & Валеев, Р. Г. (2016). Исследование процессов осаждения нанопленок на подложку из пористого оксида алюминия методами математического моделирования. Вычислительная механика сплошных сред, 9(1), 59-72. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2016.9.1.6