CC BY
28
УДК 539.216+539.231
О СТРУКТУРЕ ОСАЖДАЕМЫХ НАНОПЛЕНОК ZN-S НА ПОДЛОЖКАХ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ
1,2вахрушев а. в., 1федотов а. ю., 1северюхин а. в., 3валеев р. г.
1Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34 Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7
Физико-технический институт Уральского отделения РАН, 426000, г. Ижевск, ул. Кирова, 132
АННОТАЦИЯ. В работе проводилось исследование структуры нанопленочных покрытий и подложек при эпитаксиальном осаждении. Теоретические исследования осуществлялись методом молекулярной динамики (потенциал Леннарда-Джонса). Заращивание подложки осуществлялось равномерным напылением атомов по нормали по отношению к подложке. В качестве осаждаемых атомов рассматривались атомы цинка и серы, в некоторых случаях производилось добавление атомов меди долей 5 %. Управляющими параметрами процесса являлись количество добавляемых атомов в единицу времени и их общее число. Начальная скорость осаждаемых атомов была постоянной. Скоростные параметры менялись только при взаимодействии осаждаемых атомов с подложкой. Для проведения теоретических исследований использовался пакет программ для параллельных вычислительных процессов ЬЛЫЫРБ. В работе рассмотрен анализ структуры как подложки из оксида алюминия (пористой и сплошной), так и осаждаемых атомов цинка, серы, меди. Во всех случаях структура материалов была аморфной.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: эпитаксия, нанопленки, моделирование, ЬЛЫЫРБ, кристаллическая структура, молекулярная динамика.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование нанопленок и нанокомпозитов является весьма актуальной проблемой во многих областях человеческой деятельности. Благодаря своим особым свойствам, данные материалы находят применение в медицине, техники, электронике и других областях промышленности. Так, российскими учеными из Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики и Петрозаводского государственного университета разработано уникальное нанопокрытие искусственных сосудов и стентов [1]. Уникальность покрытия заключается в возможности существенно снизить риск образования тромбов, что, несомненно, найдет применение в различных областях медицины и фармацевтики.
Наноструктурированные объекты активно используются в качестве квазидвумерных материалов. Китайскими физиками методом химического осаждения паров изготовлены чрезвычайно тонкие кристаллы карбида молибдена толщиной несколько нанометров и поперечными размерами более 0,1 мм [2]. В результате наноматериал обладает сочетанием твердости, прочности и термической устойчивости с металлической проводимостью. В этих ультратонких пленках наблюдается сверхпроводимость, а комбинация таких пленок с другими двумерными структурами может привести к созданию новых гибридных материалов с необычными свойствами.
К квазидвумерным материалам относят также силицен из кремния и германен из германия. Станен из олова изготовить долго не удавалось. В работе [3] ультратонкие пленки станена толщиной 0,35 нм на подложках Б12Те3(111) выращены путем молекулярно-лучевой эпитаксии. Их кристаллическая структура исследована с помощью сканирующей туннельной микроскопии, а электронная - посредством фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Теоретики предсказывают наличие в станене квантового спинового эффекта Холла, аномального квантового эффекта Холла, сильного термоэлектрического эффекта и топологической сверхпроводимости.
Отдельного внимания в области нанотехнологий заслуживают наногетероструктуры. Гетероструктуры широко используются в светодиодах, лазерах, высокоскоростных транзисторах, солнечных батареях и других электронных устройствах. Гетероструктуры делятся на трехмерные и двумерные, которые представляют интерес как для фундаментальной физики, так и для разнообразных приборных приложений. В работах [4, 5] методом химического осаждения паров получены вертикальные и латеральные двумерные наногетероструктуры (МоБ2/Ш82 и МоБе2^8е2) с атомарно резкими границами. Использованная технология, по мнению авторов, позволяет перейти к производству гетероструктур в промышленных масштабах.
Пористый анодный оксид алюминия (АОА), благодаря гексагонально-упорядоченному расположению вертикально-ориентированных к поверхности пленки пор, нашел широкое применение в качестве темплатов для синтеза наноструктур различного вида: нанопроволок, наноточек, наноколец, нанотрубок и других [6, 7]. Также АОА может быть с успехом использован в качестве носителей каталитически активных наночастиц [8, 9] и наноструктур полупроводников [10, 11]. Это позволяет сформировать упорядоченные массивы наноструктур полупроводникового люминофора одинакового размера и формы, чтобы представить каждый нанообъект в качестве отдельного излучателя света. Когерентное сложение излучения от всех источников приведет к существенному увеличению интенсивности света [12].
Светотехнические свойства электролюминесцентных источников света (ЭЛИ) зависят от толщины слоя люминофора и его структуры. В случае ЭЛИ, сформированных в виде нанокомпозитов типа полупроводник/диэлектрическая матрица, толщина темплата также играет большую роль, поскольку осаждаемый материал проникает в поры матрицы на глубину до 10 мкм. Вследствие этого механизм роста наноструктур в матрицах различной толщины может отличаться и распределение легирующего элемента, а также структура люминофора, полученного методом термического осаждения смеси порошков, могут также быть различными [13].
Исследования проводятся как экспериментальными методами, так и теоретическими. Отметим, что большое разнообразие задач в области формирования нанопленок и различных наноструктур, обуславливает активное применение методов математического моделирования наносистем [14 - 23]. Эти методы позволяют оценить востребованность проведения труднодоступных и дорогостоящих экспериментов, объяснить фундаментальные законы взаимодействия наноэлементов и детально пронаблюдать динамически развивающиеся процессы в наносистеме.
Целью работы является исследование структуры нанопленочных покрытий и подложек при эпитаксиальном осаждении методами моделирования. В общем случае, атомарная структура формируемых материалов может получиться как кристаллической, так и аморфной. Зачастую от характера структуры объектов зависят их свойства, могут меняться оптические, электрические и физико-механические параметры. Поэтому детальное исследование атомарно-пространственного распределения нанопленок является весьма актуальным.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Задача осаждения нанопленок на подложки оксида алюминия решалась методом молекулярной динамики (МД) [24]. Метод МД получил широкое распространение при моделировании поведения наносистем благодаря простоте реализации, удовлетворительной точности и небольшим затратам вычислительных ресурсов. Одним из основных недостатков метода молекулярной динамики является сложность сравнения результатов моделирования с реальными экспериментальными данными. Для устойчивости и сходимости решения задачи моделирования наносистем методом МД требуется выбирать такой шаг интегрирования, чтобы он удовлетворял самым малым и подвижным атомам. В большинстве случаем
адекватные результаты дает шаг 0,5 - 2,0 фс (в работе использовался шаг 1,0 фс). Таким образом, для сопоставления результатов с экспериментом требуется моделировать поведение наносистем на протяжении 1015 и более итерационных шагов, что требует больших вычислительных затрат и пока невозможно на данном этапе развития компьютерной техники. Решить сложившуюся проблему помогают комбинированные подходы и гибридные методы. Тем не менее, сложность перехода от одних управляющих переменных к другим при совмещении нескольких подходов затрудняет использование комбинированных алгоритмов. Также наблюдается потеря детализации описания системы и некоторых атомарно-молекулярных эффектов из-за роста величины самих объектов и времени интегрирования, чего не происходит при использовании метода МД.
Выбор потенциала для математического моделирования - сложная комплексная задача. Большинство эмпирических потенциалов хорошо описывают объемные свойства материалов, но, тем не менее, некоторые с успехом используются для описания и поверхностных свойств. При решении задачи эпитаксиального напыления использовался потенциал Леннарда-Джонса [24]. В настоящее время получили распространение многочастичные потенциалы, такие как потенциал Стиллинжера-Вебера, потенциал Абеля-Терсоффа, метод погруженного атома, модифицированный метод погруженного атома (MEAM). Однако параметры многочастичных потенциалов известны не для всех типов атомов. Более простые и ранее появившиеся виды потенциалов, в том числе Леннарда-Джонса, опираются на меньшее количество эмпирических переменных, поэтому применяются при решении определенного ряда задач. Кроме того, задача осаждения нанопленок ранее решалась при помощи потенциала MEAM [25, 26] и было получено качественное совпадение результатов моделирования.
Для проведения теоретических исследований использовался пакет программ для параллельных вычислительных процессов LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator). LAMMPS написан группой ученых из Сандийских национальных лабораторий и является свободно распространяемым пакетом для математических моделей различного уровня, в том числе и классической молекулярной динамики [27].
Задача моделирования формирования нанопленочных покрытий решалась в несколько этапов. На первом этапе происходит формирование подложки из аморфного оксида алюминия. Атомы алюминия и кислорода в необходимой пропорции (2:3) помещаются в расчетную ячейку с периодическими граничными условиями по бокам. Под воздействием потенциальных сил при нормальных термодинамических условиях подложка стабилизируется и приходит в состояние покоя. Стабилизация подложки обусловлена именно потенциальными силами, так как ее формирование происходит за счет самоорганизации атомов алюминия и кислорода. При этом тепловые флуктуации и диффузия в рамках заданной температуры в сформировавшейся подложке присутствует, но существенной перестройки ее структуры не происходит, атомы незначительно колеблются вблизи занятых положений. На втором этапе в подложке вырезается отверстие - пора требуемого радиуса и глубины. В работе проводилось исследование структуры материалов как для пористых, так и для сплошных подложек (рис. 1). Впоследствии подложка заращивается осаждаемыми атомами.
Заращивание подложки осуществлялось равномерным напылением атомов по нормали по отношению к подложке. В течение стадии заращивания в области над подложкой добавлялись осаждаемые атомы. Их положение над подложкой определялось равномерным случайным законом распределения. Управляющими параметрами процесса являлись количество добавляемых атомов в единицу времени и их общее число. Начальная скорость осаждаемых атомов была постоянной. Скоростные параметры менялись только при взаимодействии осаждаемых атомов с подложкой.
Несквозная пора
У
Рис. 1. Внешний вид пористой (а) и сплошной (б) подложки оксида алюминия
Общая схема задачи формирования нанопленочных покрытий с результатами моделирования эпитаксиального осаждения методом МЕАМ, а также с описанием самой модели приведена в [25, 26, 28].
Мгновенная температура молекулярной системы определяется как средняя кинетическая энергия системы [27]:
1 Ы 2
Т(V- )2, (1)
где mi - молекулярная масса --го атома; V = V (^) - вектор скорости атома; N - полное число частиц или атомов; кв - постоянная Больцмана.
Важным моментом при исследовании наносистем, влияющим на физичность протекающих процессов, является влияние начальной температуры на распределение скоростей молекул. В задачах формирования наноразмерных элементов поле скоростей в начальный момент времени выбиралось в соответствии с распределением Максвелла.
Распределение Максвелла для вектора скорости каждого атома V = (УХ,Уу,Уг) - является произведением распределений по трем направлениям:
/ (К V, V) = / (V) / (гу) / (V),
где распределение по одному направлению определяется соотношением
/у (V ) = ■
V
т
2ркТ
ехр
-mУ:
2кТ
, ] ={х, У, 4,
(2)
(3)
где Т0 - температура в начальный момент времени. Масса и компоненты скорости в (3) для
каждого атома с номером 1 будут индивидуальны. Распределение Максвелла имеет форму нормального распределения. Как и следует ожидать для покоящейся системы, средняя скорость в любом направлении равна нулю.
Для вычисления давления наносистемы используется выражение:
„ МвТ 1 " г
р = —— +-У Г • 1-,
Ж 3Ж 1=1 11
(4)
где Ж - объем, занимаемый наносистемой. Первое слагаемое в (4) может быть вычислено через комбинацию масс и скоростей атомов системы. Второе слагаемое (4) представляет собой вириал или сумму скалярных произведений векторов силы fi, действующих на атомы,
и их координат ri.
X
X
Молекулярно-динамическое моделирование проводилось при постоянной температуре. Постоянная температура в системе поддерживается при помощи алгоритма термостата. Термостат является средством отвода энергии и охлаждения слишком быстрых атомов и средством подкачки энергии, когда наносистема недостаточно разогрета. В настоящее время алгоритмы термостата достаточно разнообразны: коллизионный термостат, термостат Берендсена, термостат трения, Nose-Hoover термостат. В данной работе использовался термостат Nose-Hoover-а.
Контроль температуры при помощи термостата Nose-Hoover-а [29] заключается во введении в систему эффективных сил трения, пропорциональных скоростям частиц с динамически меняющимся коэффициентом X:
^ = . (5)
dt mi dt
Уравнения для коэффициента X решаются путем численного интегрирования по времени наряду с интегрированием уравнений движения:
di-Q(T-T„,). (6)
«Массовый» коэффициент Q, определяет скорость выхода на нужную температуру. Данный параметр можно подбирать либо интуитивно, либо задавать через другие величины.
Сходимость к целевой температуре Text имеет вид осцилляций с периодом tT :
t2 T
Q . (7)
Для определения структуры материала используется параметр C, определяемый по формуле [30]:
Z2 I |2
C = £ Г + ri+z/21 , (8)
i=1
где Z - число текущих соседей для текущего атома; ri и ri+^2 - радиус-вектора от центрального до пары близко расположенных атомов. В (8) рассматривается Z (Z -1)/2
возможных пар ближайших соседей атома. В силу симметричности кристаллической решетки для идеальных кристаллов данный параметр стремится к нулю, а для аморфных будет иметь большое положительное значение.
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИХ АНАЛИЗ
При моделировании использовались подложки оксида алюминия, имеющие следующий размер: длина - 15,3 нм, ширина 15,3 нм, высота - 7,6 нм. Общее количество атомом в подложке после образования поры было приблизительно равно 62 тыс. До начала процесса осаждения подложка находилась в состоянии покоя, ее температура в начальный момент была равна 293 К и в дальнейшем поддерживалась на таком же уровне. В работе проводилось осаждение атомов на сплошные и пористые подложки оксида алюминия. В случае пористых подложек размеры несквозной поры были: радиус 2 нм, глубина 4 нм. Нижний слой подложки был закреплен, для того чтобы не происходило ее вертикальное движение на этапе осаждения. Остальные атомы подложки не фиксировались и могли свободно перемещаться в любом направлении.
Заращивание подложек осуществлялось атомами цинка и серы в равных пропорциях, по 40 тыс. атомов каждого типа. Осаждение происходило равномерно по всей поверхности
подложки и с одинаковой интенсивностью по времени. Скорость атомов при эпитаксии составила 0,05 нм/пс. В нескольких вычислительных экспериментах к осаждаемым атомам добавлялось 5 % меди. Подобные эпитаксиальные составы обусловлены тем, что исследование относится к конкретным технологическим процессам, используемым на практике при изготовлении образцов с уникальными оптическими свойствами.
Результаты эпитаксиального формирования нанопленки из атомов цинка и серы на подложке из пористого оксида алюминия приведены на рис. 2. Высота полученной нанопленки равнялась 7,2 нм. Осажденные атомы образовывали неравномерный рельеф, наблюдались неровности на поверхности. Пора в подложке не заросла, но частично атомы цинка и серы в нее попали (рис. 2, б). Непосредственно над порой на рис. 2, а виднеется отверстие с частичным закупориванием. Для сплошных подложек оксида алюминия картина осаждения была подобной.
ж
X
Нанопленка
Пора
Подложка АЬОз
б)
Рис. 2. Результаты осаждения атомов Zn и Б на подложку пористого оксида алюминия, время осаждения 0,5 нс
Непосредственно о структуре (кристаллической или аморфной) материалов можно судить по параметру идеальности кристаллической решетки, вычисляемому в (8). Данный параметр вычисляется для всей группы атомов, затем определяется его среднее значение. На рис. з приведены величины параметра идеальности кристаллической решетки для подложки оксида алюминия.
С
13 12 11 10 9 8 7 б 5
0
50
100
150
300
350
400
450
—А
1_1 —■— Подложка без поры, Си=0 % — 1 —*— Подложка без поры, Си=5 % — 2
-■—Подл ожка с порой, Си=0 % — 3 ожка с порой, Си=5 % = 4
3
4
500
Рис.
200 250
Г, пкс
3. Средний параметр структуры кристаллической решетки для подложки
г
X
В работе рассматривалось четыре случая вычислительного эксперимента: сплошная подложка с осаждением атомов Zn и S; сплошная подложка с осаждением атомов Zn, S и 5 % Cu; пористая подложка с осаждением атомов Zn и S; пористая подложка с осаждением атомов Zn, S и 5 % Cu. Кроме того, оценивалась структура как подложки, так и сформировавшейся нанопленки.
На рис. 4 продемонстрировано изменение структуры кристаллической решетки подложки на этапе перестроения структуры (увеличенная область рис. 3). Анализ зависимостей рис. 3 и рис. 4 показывает, что параметр идеальности кристаллической решетки для всех четырех случаев ведет себя похожим образом. Время в 250 пкс соответствует моменту, когда атомы перестают осаждаться, начинается перестройка их координат в более энергетически выгодное положение. Подложка в моменты времени 250 - 500 пкс свою структуру практически не меняет, наблюдаются лишь незначительные температурные флуктуации атомов вблизи узлов кристаллической решетки. Величина параметра С для подложки достаточно велика, что говорит о аморфной структуре материала. Из рис. 4 видно, что значение параметра структуры для проведенных исследований ведет себя немного по-разному.
Рис. 4. Средний параметр структуры кристаллической решетки для подложки на этапе перестроения структуры
Для всех четырех вариантов вычислительных экспериментов изменение параметра структуры было вычислено также для осаждаемых атомов (рис. 5 и рис. 6). Распределения данных параметров характеризуется активной перестройкой положений атомов в моменты напыления и последующей мало изменяющейся структурой. Увеличенный участок конца осаждения (рис. 6) позволяет рассмотреть различия в свойствах формируемых материалов. В процессе конденсации наименьшее значение параметр кристаллической структуры имеет вычислительный эксперимент без поры с добавлением 5 % атомов меди. Стабилизировавшийся напыленный материал имеет наименьшую величину параметра для случая подложки без поры и без добавления атомов меди. Для всех рассмотренных случаев характерно аморфное поведение подложки и осажденных нанопленок.
3 »йг ;
шФ щру жд
4 щтлВ^Ж уду* 71
и 1
\ Л /
—■— Подложка без поры, Си-0 % - 1 —Подложка без поры, Си=5 % = 2 -■— Подложка с порой, Си=0 % — 3
— •—Подл ожка с п орой, Си =5 % = 4
О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
t, пкс
Рис. 5. Средний параметр структуры кристаллической решетки для осаждаемых атомов
I. ПКС
Рис. 6. Средний параметр структуры кристаллической решетки для осаждаемых атомов на этапе перестроения структуры
ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе рассмотрены результаты исследования структуры нанопленок и подложки, образованной атомами оксида алюминия. Исследование проводилось при помощи метода молекулярной динамики с использованием потенциала Леннарда-Джонса. Состав напыляемых пленок определялся возможностью их дальнейшего использования излучателей света. В случае пористой структуры подложки наблюдается когерентное сложение излучения от всех источников, что приведет к существенному увеличению интенсивности света.
Анализ структуры материалов (кристаллической или аморфной) осуществлялся на основании среднего значения параметра идеальности кристаллической решетки для четырех случаев вычислительного эксперимента: сплошная подложка с осаждением атомов 2п и Б; сплошная подложка с осаждением атомов 2п, Б и 5 % Си; пористая подложка с осаждением атомов 2п и Б; пористая подложка с осаждением атомов 2п, Б и 5 % Си. Оценивалась структура как подложки, так и сформированной нанопленки.
В результате исследований получено, что параметр идеальности кристаллической решетки для всех четырех случаев ведет себя похожим образом. Величина параметра как для подложек, так и для нанопленок достаточно велика, что говорит об аморфной структуре сформировавшихся материалов. Момент окончания осаждения нанопленок является ключевым для изменения структуры: если до него перестройка структуры и движение атомов происходило активно, то после него изменение координат в более энергетически выгодное положение осуществляется незначительно.
В процессе конденсации наименьшее значение параметр кристаллической структуры имеет вычислительный эксперимент без поры с добавлением 5 % атомов меди. Стабилизировавшийся напыленный материал имеет наименьшую величину параметра для случая подложки без поры и без добавления атомов меди.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ (проект № 15-19-10002).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Chapurina Yu., Vinogradov V. V., Vinogradov A. V., Sobolev V. E., Dudanov I. P., and Vinogradov V. V. Synthesis of Thrombolytic Sol-Gel Coatings: Toward Drug-Entrapped Vascular Grafts // Journal of Medicinal Chemistry, 2015, vol. 58, iss. 17, pp. 6313-6317.
2. Xu C., Wang L., Liu Z., Chen L., Guo J., Kang N., Ma X., Cheng H., and Ren W. Large-Area High-Quality 2D Ultrathin Mo2C Superconducting Crystals // Nature Materials, 2015, vol. 14, no. 11, pp. 1135-1141.
3. Zhu F., Chen W., Xu Y., Gao C., Guan D., Liu C., Qian D., Zhang S., and Jia J. Epitaxial Growth of Two-Dimensional Stanene // Nature Materials, 2015, vol. 14, no. 10, pp. 1020-1025.
4. Huang C., Wu S., Sanchez A. M., Peters J. J. P., Beanland R., Ross J. S., Rivera P., Yao W., Cobden D. H., and Xu X. Lateral Heterojunctions within Monolayer MoSe2-WSe2 Semiconductors // Nature Materials, 2014, vol. 13, no. 12, pp. 1096-1101.
5. Gong Y., Lin J., Wang X., Shi G., Lei S., Lin Z., Zou X., Ye G., Vajtai R., Yakobson B. I., Terrones H., Terrones M., Tay B. K., Lou J., Pantelides S. T., Liu Z., Zhou W., and Ajayan P. M. Vertical and In-plane Heterostructures from WS2/MoS2 Monolayers // Nature Materials, 2014, vol. 13, no. 12, pp. 1135-1142.
6. Ying J. Y. Nanoporous Systems and Templates the Unique Self-Assembly and Synthesis of Nanostructures // Science Spectra, 1999, vol. 18, pp. 56-63.
7. Li A. P., Muller F., Birner A., Nielsch K., Gosele U. Hexagonal Pore Arrays with a 50-420 nm Interpore Distance Formed by Self-Organization in Anodic Alumina // Journal of Applied Physics, 1998, vol. 84, no. 11, pp. 6023-6026.
8. Дорошенко М. Н., Герасимчук А. И., Мазуренко Е. А. Каталитическое влияние поверхности на формирование нанотрубок германия PE MOCVD-методом // Химия, физика и технология поверхности. 2013. Т. 4, № 4. С. 366-372.
9. Mu C., Yu Y., Liao W., Zhao X., Xu D., Chen X., and Yu D. Controlling Growth and Field Emission Properties of Silicon Nanotube Arrays by Multistep Template Replication and Chemical Vapour Deposition // Applied Physics Letters, 2005, vol. 87, no. 11, pp. 1-3.
10. Melnik Yu. V., Nikolaev A. E., Stepanov S. I., Zubrilov A. S., Nikitina I. P., Vassilevski K. V., Tsvetkov D. V., Babanin A. I., Musikhin Yu. G., Tretyakov V. V., and Dmitriev V. A. AlN/GaN and AlGaN/GaN Heterostructures Grown by HVPE on SiC Substrates // Materials Research Society Symposium Proceedings, 1998, vol. 482, pp. 245-249.
11. Nikolaev A. E., Melnik Yu. V., Kuznetsov N. I., Strelchuk A. M., Kovarsky A. P., Vassilevski K. V., and Dmitriev V. A. GaN pn-Structures Grown by Hydride Vapor Phase Epitaxy // Materials Research Society Symposium Proceedings, 1998, vol. 482, pp. 251-256.
12. Xu H. J., Li X. J. Structure and Photoluminescent Properties of a ZnS/Si Nanoheterostructure Based on a Silicon Nanoporous Pillar Array // Semiconductor Science and Technology, 2009, vol. 24, iss. 7, p. 075008.
13. Masuda H. Highly Ordered Nanohole Arrays in Anodic Porous Alumina // Chapter in book: Ordered Porous Nanostructures and Applications. Part of the Series Nanostructure Science and Technology. US: Springer, 2005. pp. 37-55.
14. Вахрушев А. В., Федотов А. Ю. Вероятностный анализ моделирования распределения структурных характеристик композиционных наночастиц, сформированных в газовой фазе // Вычислительная механика сплошных сред. 2008. Т. 1, № 3. С. 34-45.
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 // International Journal of Nanomechanics Science and Technology, 2011, vol. 2, iss. 2, pp. 105-132.
16. Вахрушев А. В., Федотов А. Ю., Вахрушев А. А., Шушков А. А., Шушков А. В. Исследование механизмов формирования наночастиц металлов, определение механических и структурных характеристик нанообъектов и композиционных материалов на их основе // Химическая физика и мезоскопия. 2010. Т. 12, № 4. С. 486-495.
17. Вахрушев А. А., Федотов А. Ю., Шушков А. А., Шушков А. В. Моделирование формирования наночастиц металлов, исследование структурных, физико-механических свойств наночастиц и нанокомпозитов // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2011. № 2. С. 241-253.
18. Volkova E. I., Suyetin M. V., and Vakhrushev A. V. Temperature Sensitive Nanocapsule of Complex Structural Form for Methane Storage // Nanoscale Research Letters, 2009, vol. 5, pp. 205-210.
19. Vakhrushev A. V., and Suyetin M. V. Methane Storage in Bottle-like Nanocapsules // Nanotechnology, 2009, vol. 20, iss. 12, pp. 125602.1-125602.5.
20. Vakhrouchev A. V. Computer Simulation of Nanoparticles Formation, Moving, Interaction and Selforganization // Journal of Physics: Conference Series, 2007, vol. 61, pp. 26-30.
21. Вахрушев А. В., Шушков А. А. Методика расчета упругих параметров наноэлементов // Химическая физика и мезоскопия. 2005. Т. 7, № 3. С. 277-285.
22. Аликин В. Н., Вахрушев А. В., Голубчиков В. Б., Липанов А. М., Серебренников С. Ю. Разработка и исследование аэрозольных нанотехнологий. Том 3. Топлива. Заряды. Двигатели. М.: Машиностроение, 2010. 196 с.
23. Вахрушев А. В., Федотов А. Ю. Моделирование формирования композиционных наночастиц из газовой фазы // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 10. С. 22-26.
24. Lennard-Jones J. E. On the Determination of Molecular Fields. II. From the Equation of State of a Gas // Proceedings of the Royal Society: Mathematical and Physical Sciences, 1924, vol. 106, pp. 463-477.
25. Вахрушев А. В., Северюхин А. В., Федотов А. Ю., Валеев Р. Г. Исследование процессов осаждения нанопленок на подложку из пористого оксида алюминия методами математического моделирования // Вычислительная механика сплошных сред. 2016. Т. 9, № 1. С. 59-72.
26. Вахрушев А. В., Федотов А. Ю., Северюхин А. В., Валеев Р. Г. Моделирование процессов осаждения нанопленок на подложку пористого оксида алюминия // Химическая физика и мезосюпия. 2015. Т. 17, № 4. С. 511-522.
27. LAMMPS Molecular Dynamics Simulator. URL: http://www.lammps.sandia.gov (дата обращения 25.05.2016).
28. 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 мезосюпия. 2014. Т. 16, № 3. С. 364-380.
29. Hoover W. Canonical Dynamics: Equilibrium Phase-Space Distributions // Physical Review A, 1985, vol. 31, iss. 3, pp. 1695-1697.
30 Kelchner C. L., Plimpton S. J., and Hamilton J. C. Dislocation Nucleation and Defect Structure During Surface Indentation // Physical Review B, 1998, vol. 58, iss. 17, pp. 11085-11088.
ABOUT THE STRUCTURE OF DEPOSITED ZN-S NANOFILMS ON SUBSTRATES OF ALUMINUM OXIDE
12Vakhrushev A. V., 1Fedotov A. Y., 1Severyukhin A. V., 3Valeev R. G.
institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Science, Izhevsk, Russia
2Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia
3Physical-Technical Institute, Ural Branch of the Russian Academy of Science, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The porous anodic aluminum oxide is widely used as templates for the synthesis of nanostructures of various kinds, thanks to the orderly arrangement of hexagonally-oriented vertically to the surface of the film then. This makes it possible to form ordered arrays of semiconductor nanostructures phosphor same size and shape to each nanoobject present as a separate light emitter. The addition of coherent radiation from all sources results in a substantial increase in light inte sity. The aim of work is to study the structure of the nanofilm coating and the substrate during epitaxial deposition. Often the nature of the structure of objects that determines their properties, changes the optical, electrical, and physical-mechanical parameters. Theoretical studies were carried out using molecular dynamics. As the potential was used Lennard-Jones potential. The temperature and pressure in nanosystems were maintained by a thermostat and barostat Nose-Hoover-a. Periodic boundary conditions are used. The velocity field at the initial time was selected according to the Maxwell distribution in the form of nanosized elements. Silting substrate was carried out as uniform deposition of atoms on the normal to the substrate. Deposited atoms is added to the stage for overgrowth in the area above the substrate. Zinc and sulfur atoms are considered as deposited atoms. Adding copper atoms a 5 % was
carried out in some cases. Its position on the substrate was determined by a uniform random distribution law. The amount of added atoms per unit time and the total number were manageable process parameters. The initial rate was constant for the deposited atoms. Speed settings are only changed in the interaction with the substrate deposited atoms. To carry out theoretical research the software package for parallel computing processes LAMMPS is used. In the analysis of the structure considered as a substrate of aluminum oxide (solid and porous), and the deposited zinc, sulfur, and copper. In all cases, the materials were amorphous structure.
KEYWORDS: epitaxy, nanofilms, simulation, LAMMPS, crystal structure, molecular dynamics. REFERENCES
1. Chapurina Yu., Vinogradov V. V., Vinogradov A. V., Sobolev V. E., Dudanov I. P., and Vinogradov V. V. Synthesis of Thrombolytic Sol-Gel Coatings: Toward Drug-Entrapped Vascular Grafts. Journal of Medicinal Chemistry, 2015, vol. 58, iss. 17, pp. 6313-6317. doi: 10.1021/acs.jmedchem.5b00654.
2. Xu C., Wang L., Liu Z., Chen L., Guo J., Kang N., Ma X., Cheng H., and Ren W. Large-Area High-Quality 2D Ultrathin Mo2C Superconducting Crystals. Nature Materials, 2015, vol. 14, no. 11, pp. 1135-1141. doi:10.1038/nmat4374.
3. Zhu F., Chen W., Xu Y., Gao C., Guan D., Liu C., Qian D., Zhang S., and Jia J. Epitaxial Growth of Two-Dimensional Stanene. Nature Materials, 2015, vol. 14, no. 10, pp. 1020-1025. doi:10.1038/nmat4384.
4. Huang C., Wu S., Sanchez A. M., Peters J. J. P., Beanland R., Ross J. S., Rivera P., Yao W., Cobden D. H., and Xu X. Lateral Heterojunctions within Monolayer MoSe2-WSe2 Semiconductors. Nature Materials, 2014, vol. 13, no. 12, pp. 1096-1101. doi:10.1038/nmat4064.
5. Gong Y., Lin J., Wang X., Shi G., Lei S., Lin Z., Zou X., Ye G., Vajtai R., Yakobson B. I., Terrones H., Terrones M., Tay B. K., Lou J., Pantelides S. T., Liu Z., Zhou W., and Ajayan P. M. Vertical and In-plane Heterostructures from WS2/MoS2 Monolayers. Nature Materials, 2014, vol. 13, no. 12, pp. 1135-1142. doi:10.1038/nmat4091.
6. Ying J. Y. Nanoporous Systems and Templates the Unique Self-Assembly and Synthesis of Nanostructures. Science Spectra, 1999, vol. 18, pp. 56-63.
7. Li A. P., Muller F., Birner A., Nielsch K., Gosele U. Hexagonal Pore Arrays with a 50-420 nm Interpore Distance Formed by Self-Organization in Anodic Alumina. Journal of Applied Physics, 1998, vol. 84, no. 11, pp. 60236026. doi: 10.1063/1.368911.
8. Дорошенко М. Н., Герасимчук А. И., Мазуренко Е. А. Каталитическое влияние поверхности на формирование нанотрубок германия PE MOCVD-методом // Химия, физика и технология поверхности. 2013. Т. 4, № 4. С. 366-372.
8. Doroshenko M. N., Gerasimchuk A. I., Mazurenko E. A. Kataliticheskoe vliyanie poverkhnosti na formirovanie nanotrubok germaniya PE MOCVD-metodom [Catalytic effect of surface on PE MOCVD-synthesis of germanium nanotubes]. Khimiya, fizika i tekhnologiya poverkhnosti [Chemistry, Physics and Surface Technology], 2013, vol. 4, no. 4, pp. 366-372.
9. Mu C., Yu Y., Liao W., Zhao X., Xu D., Chen X., and Yu D. Controlling Growth and Field Emission Properties of Silicon Nanotube Arrays by Multistep Template Replication and Chemical Vapour Deposition. Applied Physics Letters, 2005, vol. 87, no. 11, pp. 1-3. doi: 10.1063/1.2042545.
10. Melnik Yu. V., Nikolaev A. E., Stepanov S. I., Zubrilov A. S., Nikitina I. P., Vassilevski K. V., Tsvetkov D. V., Babanin A. I., Musikhin Yu. G., Tretyakov V. V., and Dmitriev V. A. AlN/GaN and AlGaN/GaN Heterostructures Grown by HVPE on SiC Substrates. Materials Research Society Symposium Proceedings, 1998, vol. 482, pp. 245-249.
11. Nikolaev A. E., Melnik Yu. V., Kuznetsov N. I., Strelchuk A. M., Kovarsky A. P., Vassilevski K. V., and Dmitriev V. A. GaN pn-Structures Grown by Hydride Vapor Phase Epitaxy. Materials Research Society Symposium Proceedings, 1998, vol. 482, pp. 251-256.
12. Xu H. J., Li X. J. Structure and Photoluminescent Properties of a ZnS/Si Nanoheterostructure Based on a Silicon Nanoporous Pillar Array. Semiconductor Science and Technology, 2009, vol. 24, iss. 7, p. 075008.
13. Masuda H. Highly Ordered Nanohole Arrays in Anodic Porous Alumina. Chapter in book: Ordered Porous Nanostructures and Applications. Part of the Series Nanostructure Science and Technology. US: Springer, 2005. pp. 37-55.
14. Vakhrushev A. V., Fedotov A. Yu. Veroyatnostnyy analiz modelirovaniya raspredeleniya strukturnykh kharakteristik kompozitsionnykh nanochastits, sformirovannykh v gazovoy faze [Probabilistic analysis of structural properties distribution simulation for composite nanoparticles formed in gas phase]. Vychislitel'naya mekhanika sploshnykh sred [Computational Continuum Mechanics], 2008, vol. 1, no. 3, pp. 34-45.
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. International Journal of Nanomechanics Science and Technology, 2011, vol. 2, iss. 2, pp. 105-132. doi: 10.1615/NanomechanicsSciTechnolIntJ.v2.i2.30.
16. Vakhrushev A. V., Fedotov A. Yu., Vakhrushev A. A., Shushkov A.A., Shushkov A.V. Issledovanie mekhanizmov formirovaniya nanochastits metallov, opredelenie mekhanicheskikh i strukturnykh kharakteristik
nanoob"ektov i kompozitsionnykh materialov na ikh osnove [Study of process formation of metal nanoparticles, determination of mechanical and structural parameters of nanoobjects and composites with its]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopics], 2010, vol. 12, no. 4, pp. 486-495.
17. Vakhrushev A. A., Fedotov A. Yu., Shushkov A. A., Shushkov A. V. Modelirovanie formirovaniya nanochastits metallov, issledovanie strukturnykh, fiziko-mekhanicheskikh svoystv nanochastits i nanokompozitov [Simulation of the Formation of Metal Nanoparticles, Investigation of Structural, Physical and Mechanical Properties of Nanoparticles and Nanocomposites]. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Estestvennye nauki [News of the Tula State University. Natural Sciences], 2011, no. 2, pp. 241-253.
18. Volkova E. I., Suyetin M. V., and Vakhrushev A. V. Temperature Sensitive Nanocapsule of Complex Structural Form for Methane Storage. Nanoscale Research Letters, 2009, vol. 5, pp. 205-210. doi: 10.1007/s11671-009-9466-8.
19. Vakhrushev A. V., and Suyetin M. V. Methane Storage in Bottle-like Nanocapsules. Nanotechnology, 2009, vol. 20, iss. 12, pp. 125602.1-125602.5. doi: 10.1088/0957-4484/20/12/125602.
20. Vakhrouchev A. V. Computer Simulation of Nanoparticles Formation, Moving, Interaction and Selforganization. Journal of Physics: Conference Series, 2007, vol. 61, pp. 26-30.
21. Vakhrushev A. V., Shushkov A. A. Metodika rascheta uprugikh parametrov nanoelementov [The Methodology of Calculation of the Elastic Parameters Nanoelements]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopics], 2005, vol. 7, no. 3, pp. 277-285.
22. Alikin V. N., Vakhrushev A. V., Golubchikov V. B., Lipanov A. M., Serebrennikov S. Yu. Razrabotka i issledovanie aerozol'nykh nanotekhnologiy. Tom 3. Topliva. Zaryady. Dvigateli. [Development and Research of Nanotechnology Aerosol. Vol. 3. Fuels. Charges. Engines]. Moscow: Machinery Publ., 2010, 196 p.
23. Vakhrushev A. V., Fedotov A. Yu. Modelirovanie formirovaniya kompozitsionnykh nanochastits iz gazovoy fazy [Modelling of composite nanoparticle formation from a gas phase]. Mezhdunarodnyy nauchnyy zhurnal Al'ternativnaya energetika i ekologiya [International Journal of Alternative Energy and Ecology], 2007, no. 10, pp. 22-26.
24. Lennard-Jones J. E. On the Determination of Molecular Fields. II. From the Equation of State of a Gas. Proceedings of the Royal Society: Mathematical and Physical Sciences, 1924, vol. 106, pp. 463-477. doi: 10.1098/rspa.1924.0082.
25. Vakhrushev A. V., Severyukhin A. V., Fedotov A. Yu., Valeev R. G. Issledovanie protsessov osazhdeniya nanoplenok na podlozhku iz poristogo oksida alyuminiya metodami matematicheskogo modelirovaniya [Investigation of deposition of nanofilms on a porous aluminium oxide substrate by mathematical modeling techniques]. Vychislitel'naya mekhanika sploshnykh sred [Computational Continuum Mechanics], 2016, vol. 9, no. 1, pp. 59-72. doi: 10.7242/1999-6691/2016.9.1.6.
26. Vakhrushev A. V., Fedotov A. Yu., Severyukhin A. V., Valeev R. G. Modelirovanie protsessov osazhdeniya nanoplenok na podlozhku poristogo oksida alyuminiya [Simulation of the deposition process on a substrate nanofilms of porous alumina]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopics], 2015, vol. 17, no. 4, pp. 511-522.
27. LAMMPSMolecular Dynamics Simulator. URL: http://www.lammps.sandia.gov (accessed May 25, 2016).
28. Vakhrushev A. V., Fedotov A. Yu., Severyukhin A. V., Suvorov S. V. Modelirovanie protsessov polucheniya spetsial'nykh nanostrukturnykh sloev v epitaksial'nykh strukturakh dlya utonchennykh fotoelektricheskikh preobrazovateley [Simulation of Producing Special Nanostructured Layers in Epitaxial Structures for Thin Photoelectric Converters]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopics], 2014, vol. 16, no. 3, pp. 364-380.
29. Hoover W. Canonical Dynamics: Equilibrium Phase-Space Distributions. Physical Review A, 1985, vol. 31, iss. 3, pp. 1695-1697. doi: 10.1103/PhysRevA.31.1695.
30. Kelchner C. L., Plimpton S. J., and Hamilton J. C. Dislocation Nucleation and Defect Structure During Surface Indentation. Physical Review B, 1998, vol. 58, iss. 17, pp. 11085-11088. doi: 10.1103/PhysRevB.58.11085.
Вахрушев Александр Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник ИМ УрО РАН, заведующий кафедрой «Нанотехнологии и микросистемная техника» ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, тел. (3412) 21-45-83, e-mail: vakhrushev-a@yandex. ru
Федотов Алексей Юрьевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИМ УрО РАН, тел. (3412) 21-45-83, e-mail: alezfed@gmail. com
Северюхин Александр Валерьевич, кандидат физико-математических наук, ученый секретарь ИМ УрО РАН, тел. (3412) 21-45-83, e-mail: severfam@mail. ru
Валеев Ришат Галеевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории атомной структуры и анализа поверхности ФТИ УрО РАН, тел. (3412) 43-01-63, e-mail: rishatvaleev@mail. ru
