CC BY
33
Мезо-, нано-, биомеханика и механика природных процессов Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 543-544
543
УДК 539.231
ИССЛЕДОВАНИЕ СТОЛКНОВЕНИЯ НАНОКЛАСТЕРОВ С ПОДЛОЖКОЙ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ
© 2011 г. А.В. Уткин
Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск
utkin@itam. nsc.ru
Поступила в редакцию 16.06.2011
При помощи метода молекулярной динамики проведено численное моделирование столкновения нанокластеров с подложкой. Исследовано влияние размера нанокластера, скорости и угла удара на процесс формирования связанного состояния кластер-подложка.
Ключевые слова: численное моделирование, метод молекулярной механики, нанокластеры.
Метод исследования и физическая система
В рамках метода молекулярной динамики было проведено исследование влияния скоростей и углов падения кластера на процесс осаждения на подложку.
Материал нанокластеров и подложки был выбран одинаковым (медь), а взаимодействие атомов как внутри подложки и нанокластера, так и между атомами подложки и нанокластера, описывалось многочастичным БАМ (метод внедренного атома) потенциалом [1]. В численных экспериментах моделиров ание проводилось для кластеров диаметром 50 А в интервале скоростей от 10 до 800 м/с. Моделируемая подложка должна удовлетворять следующим требованиям. Ее масса должна быть много больше массы кластеров (в пределе - бесконечность). Ее размеры должны быть таковы, что волна разгрузки в подложке возвращается в область контакта через время, много большее времени столкновения кластера с подложкой. В приводимых численных экспериментах подложка состояла из 111656 атомов. Для имитации бесконечной подложки, положение ко -торой в пространстве не меняется, использовался хорошо апробированный в численных экспериментах прием искусственной вязкости, которая действовала на атомы подложки. Это также позволило имитировать диссипацию энергии, приносимой кластером, в бесконечную подложку. В начальный момент времени задавалась скорость кластера, которая являлась контролируемым внешним параметром. В качестве основных характеристик, позволяющих проанализировать процесс осаждения кластеров на подложку, были выбраны следующие физические параметры: кинетические температуры (этот термин используется для под-
черкивания неравновесности состояния кластера в процессе столкновения), определяемые из кинетической энергии хаотического движения атомов; кинетическая температура в области контакта и компоненты скорости центра масс кластера. Оценка величины кинетической температуры в области контакта позволяет определить наличие плавления вещества после ударного взаимодействия с подложкой и определяется на основе физического анализа системы атомо 0 кластера, попавших в полусферу радиусом 7 А с центром в точке контакта нанокластера и подложки. Для решения поставленной задачи был создан и программно реализован параллельный масштабируемый алгоритм, основанный на одномерной параллелизации с дополнительной функцией динамической балансировки.
Результаты
В результате численных экспериментов было выявлено, что нанокластеры и подложка образуют связанное состояние при нормальном ударе во всем исследуемом интервале скоростей.
В качестве иллюстрации на рис. 1 представлены зависимости полной кинетической температуры кластера (А) и температуры в области контакта кластера (В) от числа шагов по времени для скорости кластера 500 м/с. Следует отметить, что в о бласти контакта наблюдается быстрый рост температуры (почти 900 К) в момент столкновения, а затем ее резкое падение (времена порядка 0.11 пс) за счет теплопередачи в подложку. Было проведено численное моделирование взаимодействия кластера с подложкой при различных скоростях и углах падения, отличных от нормального.
544
А.В. Уткин
0 200000 400000 600000 800000
t •10-16,c
Рис. 1
Как и в проведенных исследованиях по осаждению кластера, который двигался перпендикулярно подложке, было установлено существование режимов, при которых образуется связанное состояние между кластером и материалом подложки, что подтверждается зависимостями скорости центра масс кластера от времени. Детализированные исследования влияния угла падения в широком диапазоне значений позволили обнаружить критический минимальный угол между вектором скорости и поверхностью, меньше которого осаждение кластеров не происходит. Численные эксперименты показали, что увеличение скорости напыляемого кластера ведет к уменьшению критического угла. Так, для скорости кластера 500 м/с критический угол падения а = 24°, для скорости 300 м/с - а = 32°, для 400 м/с - а = 30°, для 700 м/с - а = 22°, а для B00 м/с - а = 17°.
Выводы
В рамках метода молекулярной динамики было проведено исследование влияния скорос-
тей и углов падения кластера на процесс осаждения на подложку.
Численные эксперименты по осаждению кластера, который двигался перпендикулярно подложке, показали, что во всем исследуемом интервале скоростей образуется связанное состояние между кластером и материалом подложки.
Молекулярно-динамические расчеты показали, что касательное падение кластера на поверхность подложки приводит к возникновению плоского следа на поверхности из вещества кластера. Это приводит к лучшему покрытию поверхности, что подтверждается различными экспериментальными данными по высокоскоростному напылению.
Детализированные исследования влияния угла падения в широком диапазоне значений позволили обнаружить критический минимальный угол между вектором скорости и поверхностью, меньше которого осаждение кластеров не происходит. Было установлено, что увеличение скорости напыляемого кластера ведет к уменьшению критического угла.
Проведенный анализ поверхности подложки после осаждения кластеров позволил сделать вывод о появлении областей концентраторов напряжений как под адсорбированными кластерами, так и под «следами», оставленными кластерами на поверхности. Образование таких структур при внешних механических нагрузках может приводить к снижению механических характеристик материала и к зарождению в этих местах очагов разрушения материала.
Список литературы
1. Johnson R.A. // Phys. Rev. B. 1989. V. 39. P. 1255412559.
THE SIMULATION OF HIGH-VELOCITY NANOCLUSTER DEPOSITION USING MOLECULAR DYNAMICS
A. V. Utkin
In the present study molecular dynamics simulations were performed for collisions of nanoclusters with the substrate to determine the mechanism of formation of bound states depending on the cluster size, impact velocity and angle of incidence.
Keywords: computer simulations, molecular dynamics, nanoclusters.
