- •Isbn 978-5-7883-0841-8
- •Isbn 978-5-7883-0841-8
- •Список использованных обозначений и сокращений
- •1. Физико-техническая специфика и проблематика нанотехнологий
- •1.1. Смысловое содержание понятия технология применительно к изделиям наноинженерии
- •1.1.1. Определение понятия антропогенной технологии
- •1.1.2. Какие макроскопические состояния «любит природа».
- •1.1.3. Общие стохастические принципы анализа нанотехнологий
- •1.2. Термодинамика процесса упорядочения материальных сред
- •1.2.1. Свободная энергия термодинамической системы как компромисс между энтропией и внутренней энергией
- •1.2.2. Анализ атомной упорядоченности с позиции принципа термодинамического равновесия физических систем
- •1.2.3. Время релаксации системы к состоянию термодинамического равновесия
- •1.2.4. Формирование требований к допустимой концентрации атомных дефектов в изделиях наноинженерии
- •1.3. Общие принципы проведения идеализации реальных объектов и процессов нанотехнологий
- •Смысловое содержание понятия «идеализация» применительно к физическим системам
- •Идеализация потенциальных энергетических диаграмм атомно-молекулярных систем
- •Идеализация состояния системы – «адиабатическое приближение»
- •Идеализация граничных и начальных условий в гетерофазных структурах
- •Время релаксации индивидуального физико-химического процесса
- •2. Формальные модели нанотехнологий
- •2.1. Классификация элементарных физико-химических процессов нанотехнологий
- •2.2. Формальное представление элементарных физико-химических процессов с позиции модели «рождение-гибель»
- •2.2.1. Классификация физико-химических процессов
- •2.2.2. Общие принципы создания моделей физико-химических процессов
- •2.3. Формальное представление нанотехнологий с позиции «векторно-броуновской» модели
- •2.3.1. Основополагающие представления
- •2.3.2. Взаимосвязь с физическими моделями технологических процессов
- •2.3.3. Специфика применения в технологических приложениях
- •2.4. Фактор необратимости реальных физико-химических процессов
- •2.5. Формальное представление нанотехнологии с позиции «стохастической» модели
- •2.5.1. Цели и задачи «стохастической» модели нанотехнологии
- •2.5.2. Определение понятия «микро- и нанотехнология» в стохастическом представлении
- •2.5.3. Показатели качества нанотехнологий на атомном уровне рассмотрения
- •2.5.4. Показатели качества технологий на микро- и макроскопическом уровне рассмотрения
- •2.5.5. Стохастические показатели качества реальных микро- и нанотехнологий
- •2.5.6. Информационный потенциал и дефицит микро- и нанотехнологий
- •2.5.7. Взаимосвязь информационного запас качества технологии и ресурса изделия наноинженерии
- •2.6. Формальные модели нанотехнологий основанные на вычислительных экспериментах с атомным уровнем разрешения
- •2.6.1. Предпосылки использования вычислительных экспериментов в технологической практике создания наноразмерных структур
- •2.6.2. Классификация методов моделирования технологических процессов
- •3. Физические основы моделирования нанотехнологий методами вероятностных клеточных автоматов
- •3.1 Основные принципы работы вероятностных клеточных автоматов.
- •3.2 Топологическая структура полигона моделирования.
- •3.3. Основные принципы временной дискретизации при моделировании процессов эволюции систем
- •3.4. Специфика моделирования процесса эволюции систем методами вероятностных клеточных автоматов
- •3.5. Общие принципы построения вычислительных алгоритмов вероятностных клеточных автоматов
- •Примеры моделирования нанотехнологий методами вероятностных клеточных автоматов
- •Часть 1
- •443086 Самара, Московское шоссе, 34.
- •443086 Самара, Московское шоссе, 34.
2. Формальные модели нанотехнологий
2.1. Классификация элементарных физико-химических процессов нанотехнологий
В предыдущем разделе отмечалось, что конечной целью использования технологий как таковых является необходимость обеспечения определенной степени атомно-молекулярного упорядочения физических сред с целью реализации заданного функционального назначения изделия. Действительно, в отсутствии технологии может иметь место хаотический (броуновский) характер протекания различных физико-химических процессов в направлении возрастания энтропии физических систем, что едва ли позволяет надеяться на спонтанное возникновение функционального качества изделия (подробнее см. раздел 1.1.3). Поэтому основной задачей технологии является привнесение фактора векторизации в кинетику протекания элементарных физико-химических процессов, связанных с производством изделий.
Для реализации указанного фактора векторизации элементарных атомных процессов на практике используются:
создание искусственной неравновесности технологических сред (стационарные или нестационарные градиенты химического потенциала) в пространстве и во времени, в виде заданных граничных и начальных условий протекания элементарных ФХП;
комплексы внешних управляющих воздействий на технологические среды в виде различных возмущений полевого характера (как правило, это градиенты: электрического потенциала; давления; температуры; интенсивности: света, электронного луча, плазмы и т.д.);
информационное сопровождение технологических процессов в режиме реального времени на базе аппаратных средств метрологического обеспечения.
В сугубо целевом отношении технологический фактор векторизации элементарных физико-химических процессов проявляется в части организации (обеспечения):
транспорта рабочих (технологических) сред:
по механизмам термически активированного перемещения индивидуальных атомов (адсорбционно-десорбционное равновесие на границе раздела фаз, поверхностная и объемная диффузия атомов и структурных дефектов);
по механизмам полевой (электрической, акустической, оптической) активации элементарных актов перемещения индивидуальных атомов;
по гидро- или газодинамическим принципам механики сплошных сред (этот тип транспорта рабочих сред представляет ограниченный интерес с точки зрения практических задач нанотехнологий и потому в дальнейшем не рассматривается).
избирательного (необходимого) характера протекания индивидуальных процессов атомно-молекулярных взаимодействий в технологических средах путем:
использования локальных (в пространственно-временном отношении) возмущающих факторов: термического, фото- и радиационно-химического, электрического, акустического и оптического характера;
создания специфических (с точки зрения повышения вероятности реализации определенных ФХП) граничных условий на поверхностях раздела различных материальных сред.
Из всего разнообразия ФХП, нашедших достаточно широкое распространение в современной практике нанотехнологий для реализации упомянутых выше целевых установок, можно выделить следующий круг элементарных процессов (см. табл. 2.1).
Из представленных в табл. 2.1 данных следует, что круг элементарных ФХП, используемых в технологической практике при создании элементов конструкций и устройств наноразмерного масштаба чрезвычайно широк. Естественно, что весовой вклад указанных элементарных процессов может варьироваться в весьма широких пределах для конкретных типов нанотехнологий. Тем не менее, учитывая высокий уровень требований, предъявляемых к обеспечению фактора упорядоченности наноразмерных структур, все эти элементарные процессы заслуживают пристального внимания при выборе оптимальных режимов проведения нанотехнологий.
Т а б л и ц а 2.1 Элементарные физико-химические процессы используемые в микро- и нанотехнологиях.
Этап |
Элементарный физико-химический процесс |
Примечания (*) |
№ п/п |
Энергетическая активация (генерация) микрочастиц
|
Ионизация микрочастицы |
Электронным ударом |
|
Ионным ударом |
|
||
Термический фактор |
|
||
Фотонный фактор |
|
||
Электрическим полем |
|
||
Перевод микрочастицы в возмущенное (нестационарное) энергетическое состояние |
См. пункты №№ 1-5 |
|
|
Время релаксации системы |
|
||
Процессы передачи энергии |
|
||
Акустическим полем |
|
||
Генерация свободного радикала |
Каталитический фактор |
|
|
См. пункты №№ 1-5 |
|
||
Статистика «рождение-гибель» |
|
||
Диссоциация молекулярных комплексов |
См. пункты №№ 1-5 |
|
|
Влияние внутреннего поля |
|
||
Акустическим полем |
|
||
Химический фактор |
|
||
Образование точечного структурного дефекта |
См. пункты №№ 1-5 |
|
|
Атомная вакансия |
|
||
Атом в междоузлии |
|
||
Образование линейного структурного дефекта (дислокация) |
Термический фактор |
|
|
Генерация зародыша структурного дефекта |
|
||
Влияние механического (внешнего) фактора |
|
||
Энергия дефектообразования |
|
||
Образование структурного дефекта поверхностного типа |
Генерация зародыша поверхностного дефекта |
|
|
Энергия дефектообразования |
|
||
Фактор взаимодействия дефектов |
|
||
Атомный (молекулярный) транспорт микрочастиц |
Адсорбция микрочастицы на атомарно чистую поверхность |
Из газовой и жидкой фазы |
|
Физическая адсорбция |
|
||
Хемосорбция |
|
||
На структурном дефекте |
|
||
Адсорбция микрочастицы на гетерогенную поверхность |
Из газовой или жидкой фазы |
|
|
Влияние межфазной границы |
|
||
Физическая адсорбция |
|
||
Хемосорбция |
|
||
Адсорбция микрочастицы на границах атомного кластера |
Из газовой или жидкой фазы |
|
|
Влияние межфазной границы |
|
||
Физическая адсорбция |
|
||
Хемосорбция |
|
||
Десорбция микрочастицы с поверхности твердого тела |
См. пункты №№ 1-5 |
|
|
Фактор статистического равновесия |
|
||
Химическая |
|
||
Поверхностная диффузия микрочастицы |
Термический фактор |
|
|
Фотонный фактор |
|
||
Ионным ударом |
|
||
Электронным ударом |
|
||
Объемная диффузия микрочастицы |
По вакансиям |
|
|
По междоузлиям |
|
||
По дислокации |
|
||
Термический фактор |
|
||
Ионная (высокоэнергетическая) имплантация атомов примесного типа |
Радиационный фактор |
|
|
Термическая (отжиг дефектов) |
|
||
Диффузия по дислокации |
|
||
Диффузия по вакансиям |
|
||
Диффузия по границам зерен (кристаллитов) |
|
||
Структурирование регулярных высокомолекулярных кластеров |
Фотонная стимуляция |
|
|
Термическая диффузия по пространственной сетке |
|
||
Влияние параметров дальнего порядка |
|
||
Образование глобул макромолекул |
|
||
Векторизованный тип транспорта индивидуальных атомов |
Полевая адсорбция (десорбция) атома на кантеливере |
|
|
Специфика атомных потенциальных диаграмм |
|
||
Образование атомного кластера |
|
||
Процессы элементарных атомно-молекулярных превращений |
Химический процесс (соединения, разложения) |
Термический фактор |
|
Ионная связь |
|
||
Ковалентная связь |
|
||
Водородная связь |
|
||
Стерический фактор |
|
||
Возбужденное состояние |
|
||
Фотохимический процесс |
Фотонный фактор |
|
|
См. пункты №№ 70 – 72, 74 |
|
||
Передача возбуждения |
|
||
Квантовый выход |
|
||
Радиационно-химический процесс (травление, очистка поверхности) |
Корпускулярно-волновой фактор возбуждения |
|
|
Структурные дефекты точечного и линейного типа |
|
||
Акты каскадной передачи энергии возбуждения |
|
||
Мультиплетные состояния атома |
|
||
Электрохимический процесс (травление, окисление поверхности, нанесение покрытий) |
Акты передачи заряда |
|
|
Микро- и макроскопическое электрические поля |
|
||
Электродные потенциалы |
|
||
Диффузионный электрический заряд |
|
||
Специфика ионного транспорта |
|
||
Радиационно-химический процесс (имплантация) |
См. пункты №№ 82 - 85 |
|
|
Химия высоких энергий (>10эВ) |
|
||
Вторичные радиационные процессы |
|
||
Атомная сборка (самосборка) наноструктур |
Полевое взаимодействие атома с кантиливером |
|
|
Полевое взаимодействие атома с подложкой |
|
||
Химическое взаимодействие реперных атомов с подложкой |
|
||
Термический фактор десорбции и поверхностной миграции реперных атомов |
|
||
Термический фактор адсорбции и десорбции атомов рабочей среды |
|
||
Термический фактор поверхностной миграции атомов рабочей среды |
|
Примечание: символом (*) обозначены способы, параметры и физические факторы, ответственные в определенной мере за качественные показатели технологии с позиций кинетики протекания элементарных ФХП.
Данные (далеко не полные) табл. 2.1 позволяют составить хоть некоторое представление о чрезвычайном разнообразии физико-химических факторов, которые необходимо учитывать для корректного рассмотрения реальных нанотехнологий.
Рассмотрим, в первом приближении, методологию использования представленных в табл. 2.1 элементарных ФХП на примере формирования физической модели для конкретного типа технологического процесса, используемого при создании микро- и наноразмерных структур. В табл. 2.2 представлены материалы, отражающие физическую модель технологии создания «тонкопленочного диэлектрического покрытия на поверхности твердого тела методом термического окисления приповерхностного слоя материала подложки (полупроводника или металла)».
Т а б л и ц а 2.2 Элементарные физико-химические процессы, используемые в технологии термического окисления поверхности твердых тел
Этап |
Элементарный физико-химический процесс |
№ позиции в таблице №2.1 |
Транспорт микрочастиц |
Адсорбция (десорбция) из газовой фазы молекул кислорода на реальную поверхность подложки. |
3; 27; 28; 29; 30; 39; 41. |
Перевод молекул кислорода в возбужденное энергетическое состояние. |
3; 8. |
|
Поверхностная диффузия молекул кислорода по поверхности подложки. |
18; 20; 42. |
|
Диссоциация молекулы кислорода в атомарное состояние. |
62; 64. |
|
Объемная диффузия атомов кислорода в материале подложки. |
46; 47; 48; 49. |
|
Генерация точечных и линейных структурных дефектов в подложке. |
3; 18; 19; 20; 21; 22; 23. |
|
Оксидирование |
Перевод атомов кислорода в возбужденное энергетическое состояние. |
3; 8. |
Окисление атомов материала подложки (по термоактивационному механизму). |
3; 62; 64; 66. |
|
Диссоциация оксидов атомов материала подложки (по термоактивационному механизму). |
3; 62; 64; 66. |
Согласно данным табл. 2.2 можно сделать заключение, что разработка физико-химической модели технологических процессов, обеспечивающих высокую степень упорядоченности материальных сред в изделии, является далеко не тривиальной задачей.