Процессы электронного обмена при рассеянии отрицательного иона водорода на наносистемах (1104351)
Текст из файла
На правах рукописиШЕСТАКОВ ДМИТРИЙ КОНСТАНТИНОВИЧПроцессы электронного обмена при рассеянии отрицательногоиона водорода на наносистемахСпециальность 01.04.04 – физическая электроникаАВТОРЕФЕРАТДиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2008Работа выполнена на физическом факультетеМосковского государственного университета имени М. В. ЛомоносоваНаучные руководители:доктор физико-математических наук,профессорАлександров Андрей Федоровичкандидат физико-математических наукГайнуллин Иван КамилевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессорРудый Александр Степановичкандидат физико-математических наук,доцентБуханов Владимир МихайловичВедущая организация:Московский инженерно-физический институтЗащита диссертации состоится 18 декабря 2008г.
в 15-00 часов назаседании диссертационного совета Д 501.001.66 в МГУ по адресу: 119991,ГСП-1, Москва, Ленинские горы, физический факультет, аудитория 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан 11 ноября 2008 г.Ученый секретарьдиссертационного советадоктор физико-математических наукЕршов А.П.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыВ настоящее время нанообъекты (фуллерены, нанотрубки, нанопленки, атомныекластеры, цепочки атомов и т.п.) и композитные наноструктурированные материалыявляются объектом растущего интереса для фундаментальной и прикладной науки,поскольку при переходе к наноразмерам происходят существенные изменения свойствматериалов. Кроме того, при переходе к наноразмерам число атомов на поверхностистановится соизмеримо с количеством атомов в объеме, поэтому роль поверхности какболее активной составляющей существенно возрастает [1].
Под терминами “поверхность”или “межфазная граница” обычно понимают слой вещества конечной толщины,разделяющий различные объемные фазы. Толщина слоя, как правило, составляетнесколько атомных слоев вещества.Благодаря развитию нанотехнологий особое внимание уделяется исследованиюпроцессов, происходящих при взаимодействии атомных и молекулярных частиц споверхностью твердого тела.
Такое внимание объясняется широким применениемупомянутыхпроцессовдляразработкиновыхнаноэлектронныхустройстввинформационных технологиях. При этом формирование зарядового состояния рассеянныхили распыленных с поверхности частиц является предметом многих исследований. Этообусловлено тем, что зарядовое состояние отлетающей частицы содержит информациюкак о составе и структуре, так и об электронных свойствах поверхности.
Кроме того,процессэлектронногообменаявляетсяопределяющимдлямногихявлений,происходящих на поверхности при вторичной ионной эмиссии, рассеянии, десорбции,катализе, модификации поверхности [2-4].При взаимодействии атомной частицы с металлической поверхностью важнуюроль играет резонансное туннелирование [5]. Если энергетические ограниченияотсутствуют, то именно этот процесс доминирует в обмене зарядом, т. к. его вероятностьвелика по сравнению с нерезонансными переходами и Оже-процессами [6,7].Для описания одноэлектронных процессов электронного обмена наиболее частоиспользуется нестационарная модель Андерсона-Ньюнса [8], где задача определениязарядового состояния атомной частицы может быть решена аналитически в приближенииширокой зоны; при этом предполагается, что плотность электронных состояний ρ(ε) иматричные элементы Vk в гамильтониане Андерсона-Ньюнса не зависят от энергии во3всем бесконечном интервале энергий.
Однако непосредственное вычисление заселенностиатомного уровня с использованием аналитической формулы затруднительно ввидуналичия интегралов, не берущихся в квадратурах. Поэтому развиваются численныеметоды решения задачи.На данный момент в литературе описано несколько методов определенияположения и ширины атомного уровня (ширина уровня определяет эффективностьэлектронного перехода). Исторически первым был предложен метод, использующийтеорию возмущений.
Он может применяться, если возмущения, создаваемые в атоме из-заприсутствия поверхности твердого тела, малы по сравнению с потенциалом ионизацииатома. Но это приближение не оправдано при малых расстояниях между атомом иповерхностью металла. Впоследствии были развиты методы, не использующие теориювозмущений. Один из них – метод Распространения Волновых Пакетов [9].
Суть методазаключается в прямом решении на пространственно-временной сетке нестационарногоуравнения Шредингера для активного электрона, находящегося в поле атомного остова иметаллической поверхности. Также метод может быть использован для двух различныхситуаций: статический случай, когда частица находится на фиксированном расстоянии отповерхности; динамический случай, когда частица приближается к поверхности спостоянной скоростью по классической траектории. В статическом случае мы можемполучить характеристики атомного уровня - его энергию и ширину, а в динамическомслучае можно прямо исследовать динамику процесса обмена зарядом, прослеживаяэволюцию волнового пакета при движении атома над поверхностью.В настоящее время большой интерес представляет изучение процессов зарядовогообмена атомных частиц с наносистемами, и, в частности, с островковыми пленками,которые широко используются в микро - и нано-электронике.
На текущий момент хорошоизучен обмен зарядом между атомной частицей и полубесконечным металлическимобразцом (полупространство, заполненное металлом) [5]. Туннелируя вдоль нормали кповерхности (именно это направление энергетически выгодно) электрон атоманеограниченно распространяется в глубину металла. При этом возможность обратногоперехода электрона на атом практически отсутствует.
Если ограничить движениеэлектронаперпендикулярноеповерхности,тохарактерэлектронногопереходасущественно изменится [10,11]. Примером поверхностей с ограниченным движениемэлектрона являются грань {111} монокристалла меди, а также, наносистемы – тонкиеметаллические пленки, островковые пленки на поверхности (их модель – тонкийметаллический диск), нанотрубки и кластеры атомов. Электронный обмен атомных частицс системами пониженной размерности (наносистемами) демонстрирует квантово4размерный эффект, который появляется, когда линейные размеры системы становятсясравнимыми с длиной волны Де Бройля. Квантово-размерный эффект проявляется всильном немонотонном влиянии размеров и конфигурации системы на процессэлектронного обмена.Другой важной особенностью зарядового обмена атомной частицы с поверхностьютвердого тела является перезарядка при скользящем рассеянии.
Суть проблемы состоит втом, что в этом случае, вследствие наличия параллельной поверхности составляющейскорости атомной частицы v|| изменяется электронная структура твердого тела в системекоординат, связанной с частицей. Эффект “параллельной скорости” проявился вэкспериментах по нейтрализации щелочных ионов, а также по формированию фракцииионов H − при их скользящем рассеянии на поверхности металла [12,13]. Влияние v|| прирассеянии на наносистемах отличается от случая полубесконечного металлическогообразца и заведомо представляет интерес для исследований.Цель диссертационной работыЦельюнастоящейработыявляетсячисленноемоделированиепроцессовэлектронного обмена отрицательного иона водорода с некоторыми перспективными длянаноэлектроники системами (тонкий диск и кластер атомов алюминия) и выяснениюусловий, необходимых для проявления квантово-размерного эффекта.Назащитувыносятсяследующиеосновныеположения,определяющиенаучную новизну полученных в диссертации результатов.-Результатычисленногоисследованияэлектронногообменамеждуотрицательным ионом водорода и кластером атомов алюминия.
Численныеисследования, проведенные с помощью метода Распространения ВолновыхПакетов, позволяют определить, что переход электрона из отрицательного ионаводорода в кластер атомов алюминия в статическом случае характеризуетсяформированием дискретного распределения плотности волновой функции,содержащей максимумы по координатам (r, θ).-Квантово-размерный эффект при электронном обмене между отрицательнымионом H и кластером атомов Al выражается в немонотонном поведенииэффективности электронного перехода при изменении радиуса кластера.-В динамическом случае, в зависимости от скорости налетающей частицы приэлектронном обмене с атомной частицей, кластер атомов Al может вести себякак массивный образец или квантовая структура с дискретностью энергии подвум координатам.5-Эффект “параллельной скорости” при скользящем рассеянии отрицательногоиона водорода на тонком диске и кластере атомов Al.
Получена зависимостьвероятности формирования отрицательных ионов от величины параллельнойповерхности составляющей скорости. Вид рассчитанной зависимости имееткуполообразную форму, соответствующую экспериментальным данным длямассивного образца. Абсолютная величина и положение максимума на кривойзависимости выхода ионов H − определяется уровнем Ферми в рассматриваемойнаносистеме.Научная и практическая ценностьВ результате моделирования процессов электронного обмена были развитычисленные методы, которые позволяют рассчитывать основные интегральные параметры,характеризующиепроцессэлектронногообмена,отконфигурациииразмеровнаносистемы. Выявлены условия появления квантово-размерного эффекта.
Также былисследован эффект “параллельной скорости” при скользящем рассеянии ионов водородана островковой пленке и кластере атомов алюминия. Полученные результатысущественнорасширяютпредставлениеомеханизмеэлектронногообменаснаносистемами и могут быть использованы для создания наноэлектронных приборов,имеющих в качестве активного элемента металлоорганическую гранулу сферической илидискообразной формы.Апробация работыПо теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, 2 из которых – вцентральныхреферируемыхжурналах.Основныерезультатыдиссертационныхисследований были доложены на следующих конференциях:-Международная конференции по атомным столкновениям в твердых телах“ICACS-2006” (Германия, Берлин, 2006).-Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых“Ломоносов” (Россия, Москва, 2008).-Международная конференции по атомным столкновениям в твердых телах“ICACS-2008” (Южная Африка, Фалаборва, 2008).Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
Работа содержит 100страниц текста, включая 25 рисунков. Список литературы включает 105 наименований.6Личный вклад автораОпределение цели работы и постановка задач осуществлены автором совместно сд.ф.-м.н., профессором Уразгильдиным И.Ф. Проведение конкретных расчетов, численноемоделирование, анализ результатов и выводы сделаны автором самостоятельно. Рядрезультатов, вошедших в диссертацию, получены в соавторстве c к.ф.-м.н., ГайнуллинымИ.К. и Магуновым А.А., которым автор благодарен за плодотворное сотрудничество.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВведениеВо введении дана общая характеристика работы. Обоснована актуальность темы;сформулирована цель и определены задачи исследования; кратко изложена научнаяновизна и практическая ценность работы; описана структура и объем диссертации.Глава 1Первая глава представляет собой литературный обзор по теме диссертации.
Впервой части главы рассматриваются основные процессы зарядового обмена междуатомной частицей и поверхностью твердого тела. Приводятся основные характеристикиэтого процесса. Дается описание нестационарной модели Андерсона-Ньюнса, частоиспользуемой при рассмотрении одноэлектронных процессов. Указывается способзадания матричных элементов и приводится аналитическое решение в приближенииширокой зоны. При скользящем рассеянии атомной частицы на поверхности металларассматривается влияние на процесс перезарядки наличия у частицы параллельнойповерхности компоненты скорости.Вторая часть главы посвящена описанию модели электронной структуры металла,отрицательного иона водорода, тонкого металлического диска и шарового кластераатомов алюминия.Глава 2Вторая глава посвящена описанию применяемых численных методов для расчетаосновных характеристик процесса зарядового обмена с наносистемами.Для исследования статического и динамического случая применяется методРаспространения Волновых пакетов (РВП).
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
