Теоретическое исследование процессов формирования и физических свойств наноструктур на поверхности металлов (1104971)
Текст из файла
На правах рукописиСтепанюк Олег ВалерьевичТеоретическое исследование процессов формированияи физических свойств наноструктур на поверхности металлов.Cпециальность01.04.07 – физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2010 г.Работа выполнена на кафедре общей физики Московского ГосударственногоУниверситета им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорСалецкий Александр МихайловичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукОвчинникова Елена Николаевна,доктор физико-математических наук,профессорИсаев Эйваз ИсаевичВедущая организация:Центр фотохимии РАНЗащитамартасостоится«__»2010г.в__ч.__мин.назаседаниидиссертационного совета Д 501.002.01 в Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119992, г.
Москва,Ленинские горы, МГУ, физический факультет, ауд. ___С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ.Автореферат разослан «__»________ 2010 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.01Кандидат физико-математических наукТ.В ЛаптинскаяОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.Лавинообразное развитие микроэлектроники, магнетоэлектроники испинтроники в последние 10 лет привело к формированию миниатюрныхустройств и приборов с характерным размером порядка 10 нм. Дальнейшееуменьшение размеров вызывает появление систем, полностью подчиняющихсязаконам квантовой механики. Несмотря на определенные успехи, многиетеоретические и практические аспекты, связанные с формированием ифизическими свойствами наноструктур, остаются до сих пор невыясненнымидажедляпростейшихатомныхсистем,такихкактонкиепленки,нанокластеры, нанопровода и индивидуальные атомы на поверхностях.Целью создания и изучения поверхностных наноструктур являетсявозможность контроля и манипулирования их электронными и магнитнымисвойствами путем подбора соответствующей атомной структуры и типаподложки.
До сих пор, однако, не выработано общего подхода к решениюданной проблемы по причине сильной зависимости свойств нанообъектов отихвнутреннейструктуры.Образованиенизкоразмерныхсистемнаповерхности и их свойства определяются сложным характером межатомноговзаимодействия. Продуктивными для детального описания таких системявляютсятеоретическиеметоды,сопряженныескомпьютернымэкспериментом.Самоорганизация атомов, эпитаксиально напыленных на подложку,является основным способом формирования поверхностных наноструктур.Хотя физика этого явления исследуется на протяжении последних 15 лет,толькосейчассталапонятнойрольмногихатомныхпроцессоввформировании границы раздела (например, транспорта атомов с одного слоярастущей структуры в другой или процессов, связанных с атомным1«перемешиванием» на поверхности).
С другой стороны, в последнее времябыл совершен колоссальный прорыв в компьютерном эксперименте в физикетвердого тела в связи с появлением мощных вычислительных комплексов. Этикомплексы позволяют перейти к сложным моделям в описании реальногомежатомного взаимодействия низкоразмерных систем, что допускает болеедетальное исследование природы явлений, возникающих на границе раздела.По этим двум причинам ряд моделей, описывающих рост наноструктур наповерхностях, должен быть на данном этапе пересмотрен.Одной из фундаментальных задач современной физики поверхностныхявлений является изучение термодинамических свойств чистых поверхностейи сформированных на них наноструктур.
Знание об их поведении сповышением температуры, необходимо для конструирования наноустройств инаноприборов в будущем, так как определит границы применимостисозданных структур. Вопрос о плавлении малых нанокластеров до сих поростается открытым.Перечисленные обстоятельства показывают актуальность теоретическогоисследования и развития методов компьютерного моделирования явлений,связанных с самоорганизацией наноструктур на поверхности, а также изученияих структурных, магнитных и термодинамических свойств.Цель работыЦельработызаключаласьвтеоретическомизученииатомныхмеханизмов, ответственных за формирование одно- и двумерных наноструктурнакристаллографическоймоделированияявленияповерхностисамоорганизации(110)длянаноструктурпоследующеговпроцессеэпитаксиального роста и изучения их свойств.
В соответствие с поставленнойцелью были определены следующие задачи:2• Разработать методику теоретического исследования и моделированияпроцесса эпитаксиального роста атомов на кристаллографическойповерхности ГЦК(110).• Установить атомные процессы отвечающие за гетероэпитаксиальныйрост наноструктур на поверхности ГЦК(110).• Провести моделирование гетероэпитаксиального роста нанокластерови нанопроводов на поверхности металлов ГЦК(110).
Исследоватьвлияние внешних параметров – скорости напыления (F), температуры(T) на процесс роста наноструктур и конечную морфологиюповерхности.• Исследовать роль атомных релаксаций в процессе роста наноструктур.• Развить методику расчета термодинамических свойств объемныхкристаллов и поверхностных наноструктур, основанную на методемолекулярнойдинамикисиспользованиеммногочастичныхпотенциалов межатомного взаимодействия.Научная новизна результатовАвтором впервые получены следующие основные теоретическиерезультаты:• С помощью теории функционала электронной плотности, методовмолекулярной динамики и кинетического Монте Карло развитаметодика теоретического исследования и моделирования процессаэпитаксиального роста атомов на кристаллографической поверхностиГЦК(110) при заданных внешних условиях: температуре, концентрациии скорости напыления.• Определены основные атомные механизмы, играющие роль вформировании границы раздела во время самоорганизации атомов наметаллических поверхностях ГЦК(110).3• Установлено влияние внешних параметров, таких как температура,скорость и уровень напыления, на процессы самоорганизации наметаллической поверхности ГЦК(110).• На уровне атомных механизмов изучен процесс формированиянаноструктур в процессе напыления 3d атомов на поверхности Pd(110),Cu(110) при комнатной температуре и выявлено, что доминирующиммеханизмом,определяющимрежимроста,являетсяатомноеперемешивание напыляемых атомов и атомов подложки.• Объяснено отсутствие магнитного сигнала от атомов поверхностныхнаноструктурврядепроводившихсяранееэкспериментовпонапылению Fe и Co на поверхности Pd(110) и Cu(110).• Выявлено, что атомные релаксации в наноструктурах и в подложкеоказываютопределяющеевлияниенаатомныепроцессыисамоорганизацию низкоразмерных систем на поверхности ГЦК(110).• Развита методика расчета термодинамических свойств объемныхкристаллов и поверхностных наноструктур, основанная на методемолекулярнойдинамикисиспользованиеммногочастичныхпотенциалов межатомного взаимодействия.• На количественном уровне исследован вопрос о плавлении малыхповерхностных наноструктур.
Установлена зависимость температурыплавлениямалыхкластеровотколичестваатомовиихгеометрического расположения в структуре.Положения выносимые на защиту• Основным процессом, отвечающим за морфологию поверхности инизкоразмерных поверхностных структур при гетероэпитаксии 3dэлементовнаповерхностиCu(110)иPd(110),является“перемешивание” напыляемых атомов и атомов подложки.4• Отсутствие магнитного сигнала от поверхностных структур в рядеэкспериментов по напылению атомов 3d элементов на поверхностиPd(110) и Cu(110) объясняется ростом поверхностных наноструктур изатомов сорта подложки.• Атомные релаксациции вносят определяющее влияние на процессысамоорганизации низкоразмерных систем на поверхности ГЦК (110).• Зависимость температуры плавления малых кластеров от количестваатомов и их геометрического расположения в структуре носитнемонотонный характер.Научная и практическая значимостьПолученные теоретические результаты могут иметь важное значение вдальнейших исследованиях физики низкоразмерных систем, а также прирешении прикладных задачпо созданию новых методик производстваэлементов памяти и передачи информации в компьютерной индустрии.Личный вклад автора.Результаты, изложенные в диссертации, получены лично диссертантом.Постановка задач исследований, определение методов их решения иинтерпретация результатов выполнены совместно с научным руководителемпри личном участии диссертанта.Публикации по теме диссертацииПо результатам работы опубликованы 4 статей в реферируемых научныхжурналах,5 тезисов к докладам на всероссийских и международныхконференциях.5Апробация работыРезультаты работы были представлены на следующих международныхконференциях: Ежегодная научная конференция «Ломоносовские Чтения –2008» (Москва), «Moscow International Symposium on Magnetism – 2008»(Москва), Международная конференция студентов, аспирантов и молодыхученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2009», «73rd SpringMeeting of German Physical Society» (Dresden, Germany, 2009).Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения и спискацитируемойлитературыиз146наименований.Объемдиссертациисоставляет 138 страниц.
Работа содержит 53 рисунка и 5 таблиц.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВведение дает обоснование актуальности диссертационной работы, еепрактическойценностиинаучнойновизны.Вданномразделеформулируются постановка научной задачи и цели работы, а такжеизлагаются положения, выносимые автором на защиту.Глава 1 представляет собой литературный обзор, в котором проводитсяанализ существующих подходов и современного состояния дел в области,связанной с формированием атомных структур на поверхности, возможностисозданияиперспективыприменениянаноструктурвиндустрии.Рассматриваются физические принципы работы сканирующего туннельногомикроскопа (СТМ) и формирование наноструктур с помощью СТМ.Проводится обсуждение экспериментальных и теоретических исследованийроста наноструктур (нанопроводов, нанокластеров) в процессе атомнойсамоорганизации.6В главе 2 описываются теоретические методы, с помощью которых можноисследовать процессы роста и самоорганизации атомных структур наповерхности.
В первом параграфе обсуждается способ расчета квантовомеханическихсвойствнаноструктурнаосноветеориифунционалаэлектронной плотности (ФЭП). Метод позволяет определять основноесостояние атомной системы и, соответственно, находить электронные имагнитные свойства системы в этом состоянии[1]. Помимо этого, с помощьюданного метода можно производить структурную релаксацию системы ирассчитывать активационные барьеры атомных переходов.
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}
