CC BY
42
О проектировании и создании интеллектуальных наноустройств на основе современных нанотехнологий
С.Г. Псахье, К.П. Зольников, С. Блатник1
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 1 Институт символьного анализа и информационных технологий, Веление, 3320, Словения
Проведено исследование возможности моделирования формирования нанотрубок и нанообъектов на основе использования метода молекулярной динамики. Для описания межатомного взаимодействия использован метод погруженного атома. Исходным материалом для получения нанотрубок являлась двухслойная наноразмерная кристаллическая пленка, один слой которой был составлен из атомов меди, а другой — из атомов алюминия. Проведено моделирование синтеза нанотрубок для разных значений толщины слоев и длины пленки, а также исследована термическая устойчивость полученных нанообъектов при повышении температуры вплоть до температуры плавления. Предложена принципиальная схема формирования нанообъектов сложной формы и структуры и их использования в качестве интеллектуальных наноустройств, преобразующих тепловую энергию в механическую.
Изучение закономерностей формирования и поведения наноматериалов и объектов наноскопического масштаба является приоритетным направлением развития науки и техники в последнее десятилетие. Это вызвано, прежде всего, многообещающими результатами, полученными в этой области в последние годы [1-7]. При этом среди наиболее широко изучаемых объектов можно выделить два основных класса: объемные и поверхностные наноструктурные состояния, а также так называемые нанообъекты (трубки, фуллерены и т.д.). Технологические основы получения трубчатых наноструктур были предложены в работах [2-6]. Они основаны на самопроизвольном сворачивании многослойных пленок с идеальной кристаллической решеткой в трубки при травлении. Сворачивание обусловлено несогласованностью параметров атомных решеток слоев пленки, приводящей к возникновению моментов сил. В работах [811 ] были получены аналитические выражения для оценки зависимости диаметра нанотрубки от толщины слоев и степени несоответствия параметров решетки, а также изучена возможность введения временного фактора и изменения скорости технологического процесса.
В последние годы в Институте физики полупроводников СО РАН успешно развивается уникальная технология формирования различных типов нанотрубок, в частности, на основе полупроводниковых материалов.
Разработана уникальная технология, позволяющая получать нанотрубки с точно заданной толщиной стенки, диаметром и с прецизионно воспроизводимой длиной [2-6]. Суть данной технологии заключается в том, что на подложку осаждают так называемый «жертвенный слой», а на него бислой из различных материалов, имеющих разные постоянные решетки. Затем селективным травлением удаляют «жертвенный слой», при этом свободный конец бипленки поднимается вверх и закручивается. Если время травления небольшое, но достаточное для того, чтобы конец бислоя успел сделать полный оборот, образуется одностенная нанотрубка. Увеличение времени травления позволяет получать многостенные нанотрубки. Таким образом уже создаются нанотрубки из SiGe и полупроводниковых соединений А3В5 с толщиной стенок до нескольких ангстремов и диаметром от нескольких нанометров до нескольких микрометров; длина нанотрубки может варьироваться от сотен нанометров до десятков микрометров. Так как метод молекулярно-лучевой эпитаксии позволяет формировать слои из выбранных материалов с точностью до одного монослоя, то подобная технология позволяет выращивать нанотрубки с очень высокой точностью.
Очевидно, что подобная технология в перспективе может быть положена в основу создания составных эле-
© Псахье С.Г, Зольников К.П., Блатник С., 2003
ментов различных микро- и наноустройств. Таким образом, становится очевидным, что многообразие нанообъектов не исчерпывается углеродными нанотрубками и фуллеренами. Отметим также, что получение нанораз-мерных многослойных трубчатых композиций фактически означает возможность создания гигантских молекул с потенциально необычными свойствами и откликом на внешние воздействия. Теоретическому исследованию этой возможности на основе молекулярно-динамического моделирования и посвящена настоящая работа. Для этой цели проводилось моделирование синтеза нанотрубок из трехмерных двухслойных пленок различной геометрии и исследовался их отклик на термическое воздействие.
В настоящей работе предложен алгоритм для компьютерного конструирования нанотрубчатых объектов, который можно условно разбить на два основных этапа.
На первом этапе моделируется бесконечный во всех направлениях монокристалл (в настоящей работе — монокристалл алюминия). При этом исходная кристаллическая структура соответствует равновесной кристаллической решетке данного металла. Равновесное значение параметра решетки определяется из условия равенства нулю внутреннего давления. Затем из бесконечной идеальной решетки выделяется тонкая пленка, толщина которой составляет несколько параметров решетки. В одном из направлений, как это показано на рис. 1, а, используются периодические граничные условия (направление вдоль оси ОХ). В других направлениях размеры пленки фиксированы, а грани описываются как свободные поверхности. Далее на основе метода искусственного демпфирования при данных граничных условиях определяется равновесная атомная структура тонкой пленки. Геометрические параметры пленки могут варьироваться, что позволяет изучать их влияние на процессы формирования и физико-механические свойства нанотрубок, а также других изучаемых нанообъектов.
На втором этапе отрелаксированная структура делится на два равных (или в общем случае отличающихся) по толщине слоя. Один из слоев состоит из атомов исходного монокристалла (алюминия), а другой «объявляется» состоящим из атомов другого элемента (в настоящей работе — меди). Созданная таким образом двухслойная структура вновь релаксируется методом искусственного демпфирования. В процессе релаксации в моделируемой пленке вследствие несогласования параметров решеток элементов возникают угловые моменты и двухслойная пленка начинает самопроизвольно сворачиваться.
Таким образом, на основе данного алгоритма становится возможным компьютерное конструирование нанотрубок различной геометрии.
Как отмечалось выше, в настоящей работе в качестве составных элементов тонкой пленки использовались атомы алюминия и меди. Равновесный параметр решет-
ки алюминия равен 7.619 а.е., а меди — 6.831а.е., что и обеспечивало возникновение достаточно больших значений угловых моментов в процессе релаксации. Геометрические параметры пленки варьировалась в разных компьютерных экспериментах, при этом ее длина ограничивалась 25, 50 и 90 параметрами решетки.
Межатомные взаимодействия в моделируемой структуре описывались в рамках метода погруженного атома [12-14]. Как показано в работах [12-14], эти потенциалы позволяют с хорошей точностью описывать такие важные для данной задачи свойства, как равновесный атомный объем, изменения межплоскостных расстояний вблизи свободной поверхности, энергетические параметры дефектов кристаллического строения, активационные барьеры точечных дефектов и т.д. Как и ранее, при расчетах использовалась атомная система единиц [15, 16].
Результаты расчетов показывают, что процесс закручивания и последующее формирование устойчивых наноструктур сильно зависят от длины исходной пленки и толщины слоев. На рис. 1, а, б, в показаны различные моменты синтеза нанотрубки из прямоугольной гетеропленки, каждый слой которой содержит по три атомных плоскости, а длина пленки равняется 50 параметрам решетки алюминия. Именно при таком выборе длины исходной пленки формируется практически идеальная цилиндрическая нанотрубка (рис. 1, в). Некоторые параметры внутренней структуры этой гигантской молекулы приведены в таблице 1.
При изменении длины двухслойной пленки формируются иные, но тоже достаточно устойчивые наноструктуры. Так, на рис. 1, г показана результирующая трубчатая структура для случая, когда длина исходной пленки равнялась 90 параметрам решетки алюминия.
Следует отметить, что показанные выше примеры наноструктур получены для низких температур. Проведенное исследование влияния термализации на полученные структуры показало, что из всех рассмотренных случаев наиболее устойчивой к температурным воздействиям является цилиндрическая нанотрубка, показанная на рис. 1, в. Показательно, что «кристаллическая» (регулярная) структура данной нанотрубки сохраняется до температуры, более чем в два раза превышающей
Таблица 1
Параметры распределения атомов в нанотрубке для первых трех сфер (расстояния и отклонения даны в атомных единицах)
Материал Си А1
Номер сферы 1 2 3 1 2 3
Среднее расстояние 4.67 5.38 7.63 5.30 7.38 9.12
Среднее отклонение 0.08 0.33 0.27 0.10 0.22 0.21
Координатное число 8 6 11 12 4 16
Равновесное расстояние 6.83 7.62
Рис. 1. Формирование нанотрубки цилиндрической формы в различные моменты времени (а, б, в); наноструктура, получаемая при сворачивании двухслойной пленки длиной 90 параметров решетки алюминия (г)
температуру плавления монопластины меди (наиболее тугоплавкого компонента), при использовании тех же самых граничных условий. На рис. 2 показана структура, в которую трансформируется идеальная трубка на первой стадии «плавления». На последующих стадиях нанотрубка трансформируется в наночастицу, которая, по сути, также является гигантской молекулой со сложной неравновесной структурой.
Следует отметить, что подобные получаемые на основе нанотехнологий гигантские молекулы могут обладать новыми свойствами, обусловленными как их составом и внутренней структурой, так и «навязанной» в процессе получения геометрией.
В качестве примера рассмотрим случай двухслойной пленки, размеры которой меньше размеров, необходимых для сворачивания в идеальную цилиндрическую трубку. При ее релаксации формируется подковообразная стабильная наноструктура, вид которой показан на рис. 3. При термическом воздействии на такую структу-
Рис. 2. Первая стадия «плавления» трубчатой наноструктуры
ру ее края начинают совершать колебательные движения. Это связано с тем, что коэффициенты теплового расширения слоев различны по величине. Вид данной структуры в крайних точках колебательного процесса показан на рис. 3, а и б. Амплитуда колебаний (изменение расстояния между свободными концами) составляет ~ 3 межатомных расстояния А1, а период колебаний — 7 • 10-12 с, что соответствует частоте порядка 0.1 терафлоп.
Подобное поведение нанообъектов может рассматриваться как интеллектуальный отклик на изменение параметров окружающей среды и, следовательно, полученные результаты имеют определенное практическое значение, поскольку показывают принципиальную возможность создания нанодвигателя и наноустройств различного назначения на основе гигантских молекул, преобразующих тепловую энергию в механическую.
Таким образом, в настоящей работе предложен теоретический подход к компьютерному конструированию интеллектуальных наноустройств (молекул) на основе интенсивно развивающихся в последние годы нанотехнологий. Кроме того, проведенные расчеты показывают, что процессы синтеза нанообъектов, в частности, нанотрубок из многослойных пленок могут быть успешно описаны с помощью метода молекулярной динамики на основе предложенного в настоящей работе алгоритма. Данный алгоритм позволяет провести подбор необходимых геометрических параметров многослойных пленок для сворачивания их в цилиндрические трубки с почти регулярной структурой. Кроме того, он позволяет моделировать формирование нанообъектов, характерные времена их синтеза, определять их тепловые и другие свойства, выявлять атомные механизмы, ответственные за их отклик на различные внешние воздейст-
Рис. 3. Температурные колебания незамкнутой наноструктуры при разогреве до 300 К: положение, когда края структуры максимально разведены (а); положение, когда края структуры максимально сближены (б)
вия, и, в конечном счете, проектировать интеллектуальные наноустройства.
Безусловно, полученные в настоящей работе результаты не исчерпывают всего многообразия возможных эффектов и авторы полагают, что направление, связанное с проектированием и созданием наноустройств (гигантских молекул) с интеллектуальным откликом, будет развиваться для самых различных приложений современной науки и технологий.
Литература
1. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - М.: Логос, 2000. - 272 с.
2. Prinz V.Ya., Seleznev V.A., Gutakovsky A.K., Chehovskiy A.V., Preobra-zhenskii V.V., Putyato M.A., Gavrilova T.A. Free-standing and overgrown InGaAs - GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays // Physica E. -2000. - V. 6. - P. 828-831.
3. Prinz V.Ya., Grutzmacher D., Beyer A., David C., Ketterer B., DeckardtE.
A new technique for fabricating three-dimensional micro- and nanostructures of various shapes // Nanotechnology. - 2001. - V. 12. - P. 399402.
4. Schmidt O.G., Jin-Phillip N.Y. Free-standing SiGe-based nanopipelines on Si (001) substrates // Appl. Phys. Lett. - 2001. - V. 78. - No. 21. -P. 3310-3312.
5. Kuboto K., Vaccaro P.O., OhtaniN., Hirose Y., Hasoda M., Aida T. Pho-
toluminescence of GaAs/AlGaAs micro-tubes containing uniaxially strained quantum wells // Physica E. - 2002. - V. 13. - P. 313-316.
6. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований / Под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса, П. Аливисато-са. - М: Мир, 2002. - 292 с.
7. Blatnik S. Naslednja silicijeva dolina // Podjetnik. - 2003. - No. 7. -P. 20-23.
8. Морозов Н.Ф., Семенов Б.Н., Товстик П.Е. Моделирование метода-
ми механики сплошных сред процесса формирования нанообъектов // Физ. мезомех. - 2002. - Т. 5. - № 3. - С. 5-8.
9. Морозов Н.Ф., Кривцов А.В. Аномалии механических характеристик наноразмерных объектов // Докл. РАН. - 2001. - Т. 381. - N° 3. -С. 345-347.
10. Morozov N.F., Semenov B., Zegzda S. The solid mechanics methods for nanotubes technology investigation // International Congress on Fracture. ICF, Interquadrennial Conference «Fracture at Multiple dimensions”, June 23-26, 2003. - Moscow: Institute for Problems in Mechanics RAS. -P. 46.
11. Ru C.Q. Effective bending stiffness of carbon tubes // Phys. Rev. B. -2000. - V. 62. - No. 15. - P. 9973-9976.
12. Daw M.S., Baskes MI. Embedded atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals // Phys. Rev. -1984. - V. B29. - No. 12. - P. 6443-6453.
13. Foiles S.M., Baskes M.I., Daw M.S. Embedded-atom-method for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys // Phys. Rev. - 1986. -V. B33. - No. 12. - P. 7983-7991.
14. Gai J., Ye Y.Y. Simple analytical embedded-atom-potential model including a long-range force for fcc metals and their alloys // Phys. Rev. -1996. - V. B54. - No. 12. - P. 8398-8410.
15. Harrison W.A. Pseudopotentials in the theory of metals. - New York: W.A. Benjamin, 1966. - 336 p.
16. Зольников К.П., Уваров Т.Ю., Псахъе С.Г. Об анизотропии процессов пластической деформации и разрушения при динамическом нагружении // Письма в ЖТФ. - 2001. - Т. 27. - № 7. - С. 1-7.
On the design and synthesis of intellectual nanodevices using modern nanotechnologies
S.G. Psakhie, K.P. Zolnikov and S. Blatnik1
Institute of Strength Physics and Materials Science, SB RAS, Tomsk, 634021, Russia 1 Institute of Symbolic Analysis and Information Technologies, Velenje, 3320, Slovenia
A possibility to simulate the formation of nanotubes and nanoobjects using a molecular dynamics method is investigated. The embedded atom method is used to describe interatomic interaction. The initial material for the synthesis of nanotubes is a two-layer nanosized crystalline film. One of the layers is composed of copper atoms and the other layer of aluminum atoms. The synthesis of nanotubes is simulated for different values of film length and layer thickness. Besides, thermal stability of the obtained nanoobjects is studied at a temperature increase up to the melting temperature. We suggest the basic scheme for the formation of nanoobjects of complex shape and structure as well as for their use as intellectual nanodevices that convert thermal energy to mechanical one.
