Влияние размерных параметров пор на механизмы формирования нанопленочных покрытий на подложках пористого оксида алюминия

Предложена методика моделирования формирования эпитаксиальных нанопленок на основе матрицы пористого оксида алюминия. Приводится постановка задачи и описываются уравнения многочастичного потенциала, соответствующего модифицированному методу погруженного атома. Осаждаемые нанопленки были образованы атомами железа, золота, германия, серебра, галлия и палладия. Проведенные исследования показали наличие различных механизмов формирования нанопленок на пористых подложках в зависимости от типа эпитаксиальных атомов. В некоторых случаях пора почти полностью заполнялась осаждаемыми атомами, в других пора оставалась открытой. Для всех типов атомов единичные атомы достигали дна поры. При нанесении атомов галлия на подложку наблюдалось наиболее полное и плотное заполнение поры. Пористые подложки с нанесенными нанопленками могут рассматриваться как массив квантовых точек и использоваться для получения оптических и электрических эффектов. При исследовании заращивания атомами галлия покрытий с порами различного размера было получено, что активный рост количества атомов в поре происходит в начальные периоды времени. Дальнейшее заращивание поры сопровождается перестройкой атомарной структуры, что соответствует стабилизации зависимостей, и небольшим уменьшением процента атомов галлия, проникших внутрь поры. Стабилизация центра масс осаждаемых атомов происходит на разной глубине поры. Для пор радиусом 2-3 нм центр масс формируется выше середины глубины поры. С ростом размера поры центр масс начинает образовываться вблизи середины глубины поры. Приведенные методики и полученные результаты могут быть применены при разработке новых перспективных слоистых композитов на основе пористых подложек, изучении их характеристик, а также для проектирования нанопленочных материалов и алгоритмов прогнозирования свойств.

Ключевые слова

моделирование; молекулярная динамика; модифицированный метод погруженного атома; нанопленки; пористый оксид алюминия.

Литература

1. Chapurina, Yu. Synthesis of Thrombolytic Sol-Gel Coatings: Toward Drug-Entrapped Vascular Grafts / Yu. Chapurina, V.V. Vinogradov, A.V. Vinogradov, V.E. Sobolev, I.P. Dudanov, V.V. Vinogradov // Journal of Medicinal Chemistry. - 2015. - V. 58, № 17. - P. 6313-6317.
2. Ying, J.Y. Nanoporous Systems and Templates the Unique Self-Assembly and Synthesis of Nanostructures / J.Y. Ying // Science Spectra. - 1999. - V. 18. - P. 56-63.
3. Li, A.P. Hexagonal Pore Arrays with a 50-420 nm Interpore Distance Formed by Self-Organization in Anodic Alumina / A.P. Li, F. Muller, A. Birner, K. Nielsch, U. Gosele // Journal of Applied Physics. - 1998. - V. 84, № 11. - P. 6023-6026.
4. Дорошенко, М.Н. Каталитическое влияние поверхности на формирование нанотрубок германия PE MOCVD-методом / М.Н. Дорошенко, А.И. Герасимчук, Е.А. Мазуренко // Химия, физика и технология поверхности. - 2013. - Т. 4, № 4. - С. 366-372.
5. Mu, C. Controlling Growth and Field Emission Properties of Silicon Nanotube Arrays by Multistep Template Replication and Chemical Vapour Deposition / C. Mu, Y. Yu, W. Liao, X. Zhao, D. Xu // Applied Physics Letters. - 2005. - V. 87, № 11. - P. 113104.1-13104.3.
6. Melnik, Yu.V. AlN/GaN and AlGaN/GaN Heterostructures Grown by HVPE on SiC Substrates / Yu.V. Melnik, A.E. Nikolaev, S.I. Stepanov, A.S. Zubrilov, I.P. Nikitina, K.V. Vassilevski, D.V. Tsvetkov, A.I. Babanin, Yu.G. Musikhin, V.V. Tretyakov, V.A. Dmitriev // Materials Research Society Symposium Proceedings. - 1998. - V. 482. - P. 245-249.
7. Nikolaev, A.E. GaN pn-Structures Grown by Hydride Vapor Phase Epitaxy / A.E. Nikolaev, Yu.V. Melnik, N.I. Kuznetsov, A.M. Strelchuk, A.P. Kovarsky, K.V. Vassilevski, V.A. Dmitriev // Materials Research Society Symposium Proceedings. - 1998. - V. 482. - P. 251-256.
8. Xu, H.J. Structure and Photoluminescent Properties of a ZnS/Si Nanoheterostructure Based on a Silicon Nanoporous Pillar Array / H.J. Xu, X.J. Li // Semiconductor Science and Technology. - 2009. - V. 24, № 7. - P. 075008.
9. Masuda, H. Highly Ordered Nanohole Arrays in Anodic Porous Alumina / H. Masuda // Ordered Porous Nanostructures and Applications. - Springer US, 2005. - P. 37-55.
10. Вахрушев, А.В. Исследование вероятностных законов распределения структурных характеристик наночастиц, моделируемых методом молекулярной динамики / А.В. Вахрушев, А.Ю. Федотов // Вычислительная механика сплошных сред. - 2009. - Т. 2, № 2. - С. 14-21.
11. Vakhrouchev, A.V. Computer Simulation of Nanoparticles Formation, Moving, Interaction and Self-Organization / A.V. Vakhrouchev // Journal of Physics: Conference Series. - 2007. - V. 61, № 1. - P. 26-30.
12. Вахрушев, А.В. Исследование механизмов формирования наночастиц металлов, определение механических и структурных характеристик нанообъектов и композиционных материалов на их основе / А.В. Вахрушев, А.Ю. Федотов, А.А. Вахрушев, А.А. Шушков, А.В. Шушков // Химическая физика и мезоскопия. - 2010. - Т. 12, № 4. - С. 486-495.
13. Аликин, В.Н. Разработка и исследование аэрозольных нанотехнологий. Т. 3. Топлива. Заряды. Двигатели / В.Н. Аликин, А.В. Вахрушев, В.Б. Голубчиков, А.М. Липанов, С.Ю. Серебренников. - М.: Машиностроение, 2010.
14. Вахрушев, А.В. Моделирование формирования композиционных наночастиц из газовой фазы / А.В. Вахрушев, А.Ю. Федотов // Альтернативная энергетика и экология. - 2007. - № 10. - C. 22-26.
15. Вахрушев, А.В. Моделирование начального этапа роста нановискеров Si-Au на поверхности Si / А.В. Вахрушев, А.В. Северюхин, О.Ю. Северюхина // Химическая физика и мезоскопия. - 2010. - Т. 12, № 1. - С. 24-35.
16. Lennard-Jones, J.E. On the Determination of Molecular Fields. II. From the Equation of State of a Gas / J.E. Lennard-Jones // Proceedings of the Royal Society of London A. - 1924. - V. 106. - P. 463-477.
17. Stillinger, F.H. Computer Simulation of Local Order in Condensed Phases of Silicon / F.H. Stillinger, T.A. Weber // Physical Review B. - 1985. - V. 31, № 8. - P. 5262-5271.
18. Tersoff, J. New Empirical Approach for the Structure and Energy of Covalent Systems / J. Tersoff // Physical Review B. - 1988. - V. 37, № 12. - P. 6991-7000.
19. Daw, M.S. Semiempirical, Quantum Mechanical Calculations of Hydrogen Embrittlement in Metals / M.S. Daw, M.I. Baskes // Physical Review Letters. - 1983. - V. 50, № 17. - P. 1285-1288.
20. Daw, M.S. Model of Metallic Cohesion: The Embedded-Atom Method / M.S. Daw // Physical Review B. - 1989. - V. 39, № 11. - P. 7441-7452.
21. Daw, M.S. Embedded-Atom Method: Derivation and Application to Impurities, Surfaces, and Other Defects in Metals / M.S. Daw, M.I. Baskes // Physical Review B. - 1984. - V. 29, № 12. - P. 6443-6453.
22. Baskes, M.I. Modified Embedded-Atom Potentials for Cubic Materials and Impurities / M.I. Baskes // Physical Review B. - 1992. - V. 46, № 5. - P. 2727-2742.
23. Jelinek, B. Modified Embedded-Atom Method Interatomic Potentials for the Mg-Al Alloy System / B. Jelinek, J. Houze, S. Kim, M.F. Horstemeyer, M.I. Baskes, S.G. Kim // Physical Review B. - 2007. - V. 75, № 5. - P. 054106.
24. Kim, Y.-M. Modified Embedded-Atom Method Interatomic Potentials for Ti and Zr / Y.-M. Kim, B.-J. Lee, and M.I. Baskes // Physical Review B. - 2006. - V. 74, № 1. - P. 014101.
25. Вахрушев, А.В. Моделирование процессов получения специальных наноструктурных слоев в эпитаксиальных структурах для утонченных фотоэлектрических преобразователей / А.В. Вахрушев, А.Ю. Федотов, А.В. Северюхин, С.В. Суворов // Химическая физика и мезоскoпия. - 2014. - Т. 16, № 3. - С. 364-380.
26. Вахрушев, А.В. Исследование процессов осаждения нанопленок на подложку из пористого оксида алюминия методами математического моделирования / А.В. Вахрушев, А.В. Северюхин, А.Ю. Федотов, Р.Г. Валеев // Вычислительная механика сплошных сред. - 2016. - Т. 9, № 1. - С. 59-72.
27. Вахрушев, А.В. Моделирование процессов осаждения нанопленок на подложку пористого оксида алюминия / А.В. Вахрушев, А.Ю. Федотов, А.В. Северюхин, Р.Г. Валеев // Химическая физика и мезоскoпия. - 2015. - Т. 17, № 4. - С. 511-522.
28. LAMMPS Molecular Dynamics Simulator [Электронный ресурс]. URL: http://lammps.sandia.gov (дата обращения: 25.05.2016).
29. VMD - Visual Molecular Dynamics. Theoretical and Computational Biophysics Group [Электронный ресурс]. URL: https://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd (дата обращения: 25.05.2016).
30. Hoover, W. Canonical Dynamics: Equilibrium Phase-Space Distributions / W. Hoover // Physical Review A. - 1985. - V. 31, № 3. - P. 1695-1697.