4. Образование низкоразмерных структур в СаморегулирующиХся процессАх

4.1. Самоорганизация в объемных материалах

Самоорганизация - процесс упорядочения элементов одного уровня в системе за счёт внутренних факторов, без внешнего специфического воздействия (изменение внешних условий может также быть стимулирующим либо подавляющим воздействием).

Спонтанная самоорганизация в объеме и на поверхности твердого тела является эффективным нанотехнологическим средством создания квантовых шнуров и квантовых точек. Из числа таких процессов наиболее значимым и часто используемым является процесс спонтанной кристализации. Закономерности этого процесса определяются как индивидуальными физико-химическими свойствами среды, в которой он протекает, так и внешними условиями, в которых эта среда находится.

Самоорганизация — это процесс, приводящий к определенному упорядоченному расположению взаимодействующих атомов в твердом теле, соответствующему минимуму потенциальной энергии данной атомной системы. Например, процесс кристаллизации аморфных пленок.

Образование поверхности зародышей требует совершения над системой работы, в то время как формирование кристаллического объема зародышей высвобождает энергию в системе. Изменение свободной энергии имеет максимум для кластера с критическим радиусом

, (4.1)

где σ^* - удельная поверхностная энергия, Δg – изменение энергии системы.

Зарождение кристаллических кластеров с радиусом меньше и больше критического требует меньшего изменения свободной энергии, чем для кластера критического размера, и система в таких условиях оказывается нестабильной. Образующиеся вследствие тепловых и структурных флуктуации кластеры с отличными от критического радиусами тут же распадаются. Между тем всегда существует некоторое динамически равновесное количество таких кластеров.

Зародыши с критическим размером имеют благоприятные энергетические условия для последующего роста. Скорость образования кристаллитов v_n пропорциональна концентрации зародышей с крити­ческим размером и скорости их роста:

v_n ~ exp(-ΔG_cr/k_BT)exp(-E_a/k_BT), (4.2)

где ΔG_cr - изменение свободной энергии при образовании критического зародыша, k_B - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Член exp(-E_a/k_BT) учитывает вклад диффузии атомов в образование зародышей и их последующий рост. Он характеризуется энергией активации Е_а. Поскольку величина ΔG_cr обратно пропорциональна T², то скорость образования кристаллитов зависит от температуры как ехр(-1/T³). Очевидно, что зарождение каждой определенной кристаллической фазы происходит в узком температурном интервале, ниже которого ничего не происходит, а выше процессы образования и распада зародышей протекают настолько быстро, что не оставляют возможности для роста даже зародышам с критическими размерами.

Спонтанная кристаллизация широко применяется для создания структур с квантовыми точками без использования литографических методов. С ее помощью формируют нанокристаллиты как в неорганических, так и в органических материалах.