Теоретическое исследование процессов формирования и физических свойств наноструктур на поверхности металлов

• Автор: Степанюк, Олег Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 140 с. : ил.

Введение
ГЛАВА 1. ФОРМИРОВАНИЕ И САМООРГАНИЗАЦИЯ ОДНО- И ДВУМЕРНЫХ НАНОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ:
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Подходы к созданию наноструктур на поверхности
1.2. Физические принципы работы СТМ
1.3. Формирование наноструктур с помощью СТМ
1.4. Рост наноструктур {нанопроводов, нанокластеров) в процессе атомной самоорганизации
Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РОСТА,
САМООРГАНИЗАЦИИ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
НАНОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ
2.1 Методы расчета квантово-механических свойств наноструктур из первых принципов: теория функционала электронной платности
2.1.1. Теорема Хоэнберга-Кона
2.1.2. Уравнения Кона-Шема
2.1.3. Приближение локальной спиновой плотности
2.1.4. Пакет первопринципных расчетов УА5Р
2.2. Метод молекулярной динамики и межатомные потенциалы
2.2.1 Межатомные потенциалы взаимодействия
2.2.2. Метод молекулярной динамики
2.3. Метод кинетического Манте Карло
Глава 3. САМООРГАНИЗАЦИЯ И РОСТ АТОМНЫХ ПРОВОДОВ
НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЯХ ГЦК (110)
3.1. Основные атомные события, определяющие рост нанопроводов на поверхностях ГЦК(110)
3.2. Моделирование роста наноструктур в процессе напыления Со и Р:е на Рб(ПО) методом кинетического Монте-Карло: зависимость морфологии поверхности от температуры и скорости напыления
3.3. Исследование устойчивости морфологии поверхностных наноструктур по отношению к вариациям входных параметров модели

Глава 4. РОСТ НАНОКЛАСТЕРОВ НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ (110) В ПРОЦЕССЕ АТОМНОЙ САМООРГАНИЗАЦИИ
4.1. Атомные события, определяющие рост Со на поверхности Си(110)
4.2. Моделирование эпитаксиального роста Со на Си(110) при комнатной температуре.
Исследование влияния мезоскопических релаксаций зза морфологию поверхности
4.3. Сравнительный анализ роста Со на Cu(l 10) и Со на Pd(l 10)
Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ МЕДОДА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБЪЕМНЫХ КРИСТАЛЛОВ И НАНОКЛАСТЕРОВ НА ПОВЕРХНОСТИ
5.1. Расчет термодинамических свойств меди методом молекулярной динамики
5.2. Расчет температуры плавления нанакласгерав СинаСи(КЮ)
Основные результаты я выводы
Литература
Список опубликованных работ
Список тезисов по теме диссертации
Благодарности

Введение.
Лавинообразное развитие микроэлектроники, магнетоэлектроники и с пи нтроники в последние 10 лет привело к формированию миниатюрных устройств и приборов с характерным размером 10 нм. Дальнейшее уменьшение размеров вызовет появление систем, полностью подчиняющихся законам квантовой механики. Несмотря на определенные успехи, многие теоретические и практические аспекты, связанные с формированием и физическими свойствами наноструктур, остаются до сих пор невыясненными даже для простейших, атомных систем, таких как тонкие пленки, нанокластеры, нанопровода и индивидуальные атомы на поверхностях.
Целью создания и изучения поверхностных наноструктур является возможность контроля и манипулирования их электронными и магнитными свойствами путем подбора соответствующей атомной структуры и типа подложки. До сих пор, однако, не выработано общего подхода к решению данной проблемы по причине сильном зависимости свойств нанообъектов от их внутренней структуры. Образование низкоразмерных систем на поверхности и их свойства определяются сложным характером межатомного взаимодействия. Действенную помощь для детального описания таких систем оказывают теоретические методы, сопряженные с компьютерным экспериментом.
Самоорганизация атомов, эпитаксиально напыленных на подложку, является основным способом формирования поверхностных наноструктур. Хотя физика этого явления исследуется на протяжении последних 15 лет, только сейчас стала понятной роль многих атомных процессов в формировании границы раздела (например, транспорта атомов с одного слоя растущей структуры в другой или процессов, связанных с атомным перемешиванием на поверхности). С другой стороны, в последнее время был совершен колоссальный прорыв в компьютерном эксперименте в физике
твердого тела в связи с появлением мощных вычислительных комплексов

процессе эпитаксии. Поверхность гцк( 110) состоит из плотноупакованных рядов атомов, разделенные глубокими канавками. Ожидается, что миграция атомов на ней происходит преимущественно вдоль этих канавок, т.е. вдоль кристаллографического направления [1-10], и заметно медленней в перпендикулярном направлении [001], так как активационные барьеры для диффузии в этих направлениях должны отличаться существенно.
V/ І
• jj г Н і ! і
ï !f J , !
J h, і 1 і

200 А 500 А
Рис. 1.18. Морфология поверхности Pd(110), облученной атомами Си: а) провода шириной один атом при Т = 300 К, 0 ~ 0.05 монослоя, б) квазиодномерные структуры шириной несколько атомов при Т = 350 К
0.10 монослоя. F = 1.7*10'5 монослоя/сек [36].
Исторически первые эксперименты по росту на поверхности (110) проведены в 1993-м году на Pd(110), одной из нескольких нереконструи-рованных гцк(110) поверхностей существующих в природе [36]. При малых уровнях напыления Си (0 = 0.05 — 0.10 монослоя) в зависимости от внешних условий (Г и F) возможен рост коротких одноатомных цепочек (длиной до 10 атомов), длинных одноатомных структур (длиной около 100 атомов (рис. 1.18а)) и двумерных, ориентированных вдоль направления [1-Ю] кластеров (рис. 1.186). Несколькими годами позднее [47] было проведено первое теоретическое исследование самоорганизации наноструктур на поверхности (110). Авторы работы [47] оценили активационные барьеры основных