Борман Физическая кинетика атомных процессов в наноструктурах 2011

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

В.Д. Борман, В.Н. Тронин, В.И. Троян

ФИЗИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА АТОМНЫХ ПРОЦЕССОВ В НАНОСТРУКТУРАХ

Под редакцией В.Д. Бормана

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений

Москва 2011

УДК 539.14(075)+530.14(075) ББК 22.383я7 Б 82

Борман В.Д., Тронин В.Н., Троян В.И. Физическая кинетика атомных процессов в наноструктурах: Учебное пособие / Под ред. В.Д. Бормана − М.:

НИЯУ МИФИ, 2011. – 476 с.

Пособие посвящено описанию закономерностей и механизмов атомных процессов в наноструктурах. Ключевыми направлениями в кинетике атомных процессов являются процессы образования наночастиц, включая углеродные нанотрубки и фуллерены, на поверхности, в объеме материалов, в каналах и порах, процессы формирования пленок нанометровой толщины, многослойных сэндвичей, упорядоченных наноструктур из наночастиц в объеме материалов и на поверхности, процессы нанопрофилирования, полировки, формирования нанопористых сред и при их использовании. Пособие ограничено пятью примерами неравновесных процессов, на которых демонстрируется реализация различных сценариев формирования наноструктур с различными свойствами в зависимости от давления, температуры, концентрации, и соотношением между характерным временем наблюдения и характеристиками системы. Они являются ключевыми в нескольких современных технологиях, широко используемых либо разрабатываемых в настоящее время. На этих примерах показаны возможности современных экспериментальных методов исследования процессов в наносистемах, описаны закономерности и механизмы процессов. Изложены аналитические методы теоретического описания атомных процессов, основанные на методе функционала плотности и кинетических уравнениях для плотной системы частиц. Эти методы позволяют выяснить возможные сценарии развития процессов, вычислить измеряемые величины, сравнить полученные зависимости с экспериментальными данными и предсказать возможные свойства наночастиц и наноструктур. Изложенное в книге отражает современное состояние представлений о кинетике рассмотренных неравновесных процессов.

Предназначено для студентов НИЯУ МИФИ, обучающихся по специальностям «Физика кинетических явлений», «Физика конденсированного состояния». Может быть полезно для студентов и аспирантов ведущих вузов РФ, а также для специалистов, занимающихся исследованиями наносистем и разработкой нанотехнологий.

Пособие подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ

Рецензенты: чл.-кор. РАН Максимов Л.А., д-р физ.-мат. наук Жданов В.М.

2

3.3.Плавление нанокластеров золота, сформированных импульсным лазерным осаждением на различных

3

6.2.Частичные функции распределения и корреляционные функции в равновесном

4

7

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая книга посвящена описанию закономерностей и механизмов атомных процессов в наноструктурах. В физике наноструктур изучают свойства частиц конденсированной среды с размерами L = (1÷100) 10−9 м = (1÷100) нм, ансамблей таких частиц в окружающей среде и на поверхности твердого тела, пленки нанометровой толщины и многослойные сэндвичи из таких пленок. При уменьшении размера частиц и толщины пленок, например, металлических и полупроводниковых, до нанометров в их электронном спектре возникают новые состояния, изменяяются соотношения поверхностных и объемных состояний. Как результат, изменяется плотность электронных состояний, потенциальное поле в котором движется атом в наночастице (пленке), и поэтому электрические, магнитные, оптические (лазерные), химические, упруго-прочност- ные свойства. Свойства наночастиц и наноструктур интересны как с точки зрения фундаментальной физики, так и для многочисленных приложений нанотехнологий.

Кинетика атомных процессов в наноструктурах активно исследуется в последние годы. Ключевыми направлениями здесь являются процессы образования наночастиц, включая углеродные нанотрубки и фуллерены, на поверхности, в объеме материалов, в каналах и порах, процессы формирования пленок нанометровой толщины, многослойных сэндвичей, упорядоченных наноструктур из наночастиц в объеме материалов и на поверхности, процессы нанопрофилирования, полировки, формирования нанопористых сред и при их использовании. Перечисленные нанообъекты, наноструктуры и наноматериалы получают различными методами осаждения с использованием пучков атомов и ионов, химическим и электрохимическим осаждением, методами литографии, печати, модифицированием поверхности и другими методами. В экспериментальных исследованиях образования нанообъектов, наноструктур и материалов используются, как правило, одновременно несколько методов, позволяющих контролировать атомный и химический состав, состояние, структуру нанообъектов, наноструктур и среды. Наночастицы и наноструктуры формируют из атомных частиц, находящихся на поверхности или в среде. Описание неравновесных явлений в наноструктурах сводится к описанию атомных

8

процессов с учетом многочастичных корреляций в пространственно неоднородной конденсированной среде, состоящей из атомных частиц взаимодействующих друг с другом и со средой (поверхностью твердого тела), и наночастиц, содержащих конечное число атомов.

Физическая кинетика является основой для описания стационарных состояний и самоорганизации наносистем, физической химии нанодисперсных систем, механизмов формирования наночастиц, кооперативных явлений при атомном транспорте в наносистемах. Она служит основой для разработки методов получения объемных наноструктурированных материалов и создания новых нановеществ на основе метастабильных кластерных форм и моделирования процессов формирования наноструктурированных материалов. В настоящее время методы физической кинетики разрабатываются для описания неравновесных процессов в основном в общетеоретическом плане как методы неравновесной статистической физики в моделях с неконтролируемыми приближениями [1]. Вместе с тем кинетика позволяет описать развитие во времени нелинейных процессов и предсказать конечное состояние неравновесной нелинейной системы. Это принципиально важно для описания процесса получения наночастиц и наносистем, которые являются неравновесными состояниями, свойства которых зависят от способа их получения, т.е. от выбранной нанотехнологии. Как правило, режимы получения нанчастиц и наноструктур находят эмпирически, без глубокого обоснования процессов с точки зрения физической кинетики, что затрудняет возможности их воспроизведения в новых условиях. Кинетика процессов в обсуждаемых системах определяется соотношением между временем наблюдения (проведения) процесса и характерными внутренними временами и в наносистеме. В известных общих методах описания кинетических явлений, основанных на анализе иерархии времен, изменение масштаба времени наблюдения приводит к определенному сокращенному описанию кинетики [2−4]. В неравновесных наносистемах изменение масштаба времени наблюдения и, как следствие, иерархии времен систем, приводит, в силу определяющего влияния кооперативных явлений, либо к изменению сценариев, переключению режимов формирования наночастиц и наноструктур, либо к принципиальному изменению закономерностей процессов их формиро-

9

вания. В результате наночастицы и наноструктуры могут приобретать новые необычные свойства. Таким образом, результат формирования наночастиц и наноструктур, а также закономерности процессов зависят не только от условий проведения процесса (давления, температуры, концентрации и.т.д.), но и от характерного времени процесса. Понимание этого помогает при воспроизведении процесса в новых условиях, в том числе при масштабировании.

Вопросы кинетики атомных процессов в наносистемах и при их образовании затрагивались в ряде работ (см. например [2, 4, 5−13]). Ряд книг [2, 4] посвящен глубокому теоретическому обоснованию кинетики, однако, как правило, без вычисления измеряемых величин и анализа экспериментальных данных. В других изданиях [9−13], которые могут служить основой для вводных курсов, описываются результаты экспериментов с переупрощенным описанием кинетики и без анализа конкурирующих процессов, приводящих к различным свойствам наноструктур. Настоящее пособие ограничено пятью примерами неравновесных процессов, на которых демонстрируется реализация различных сценариев формирования наноструктур с различными свойствами в зависимости от давления, температуры, концентрации и соотношением между характерным временем наблюдения и характеристиками системы. Эти процессы изучены экспериментально и теоретически. Они являются ключевыми в нескольких современных технологиях, широко используемых либо разрабатываемых в настоящее время. На этих примерах показаны возможности современных экспериментальных методов исследования процессов в наносистемах, описаны закономерности и механизмы процессов. Сделана попытка изложить аналитические методы теоретического описания атомных процессов, выяснить возможные сценарии развития процессов, позволяющие вычислить измеряемые величины, сравнить полученные зависимости с экспериментальными данными и предсказать возможные свойства наночастиц и наноструктур. Наряду с последовательным изложением физики процессов, имеющих место в выбранных пяти неравновесных явлениях, в пособии приведены также и простые объяснения этих явлений, что отражает современное состояние представлений о кинетике рассмотренных неравновесных процессов. Вместе с тем, надо отметить, что их исследования продолжаются.

10