Жұқа металл пленкалардың механикалық және кванттық қасиеттерін теориялық зерттеу



Мақалада жұқа метал пленкалардың механикалық және кванттық қасиеттері теориялық зерттелді.

Кілтті сөздер: пленка, оптикалық қасиеттер, жұтылу спектрлері.

В данной статье рассматривается теоретическое исследование механических и квантовых свойств тонких металлических пленок.

Ключевые слова: пленка, оптические свойства, спектры поглощения.

Бұл жұмыста жұқа металл пленкалардың кванттық оптикалық қасиеттері, пленкалардың өткізгіштік және жұтылу спектрлері, сонымен қатар, механикалық деформацияның осы сипаттамаларға әсері зерттеледі. Сондай ақ, бұл жұмыста металл пленкаларды қатты созу кезіндегі бір өлшемді наноконтакттардың түзілу процессі мысалында, наноқұрылымдардың кванттық қасиеттеріне өлшемдердің әсерін зерттеу қарастырылады, «2D-1D»жүйесінің ауысуы «нанопленка — наноконтакт» мысалында жүргізіледі [1].

Жұмыста LAMMPS бағдарламалық пакеттің көмегімен классикалық молекулалық динамика және VASP бағдарламалық пакеттің көмегімен кванттық молекулалық динамика шеңберінде магниттелмеген жұқа металл пленканың механикалық және кванттық қасиеттеріне кешенді зерттеулер жүргізілді.

Тұрақты қысым мен температурадағы молекулалық динамиканы моделдеу үшін LAMMPS бағдарламасында Нозе — Гувер алгоритмі қолданылады [2]. Зерттелетін жүйенің бөлшектеріне термостаттың әсері, виртуалды бөлшектердің импульсына тәуелді консервативті емес күштердің көмегімен сипатталады. Жүйенің Гаимльтонианы:

(1)

Мұндағы; s- жылу резервуары үшін қосымша еркіндіік дәрежесі,

- жылу резервуарының тиімді массасы.

Кванттық механика тұрғысынан релятивті емес жуықтаудағы көп атомды жүйенің динамикасы Гамильтон функциясымен Шредингер теңдеуі арқылы өрнектеледі:

(2)

Жұмыста металлдардың атомдық жүйелері зерттеледі. Жүйе кристал тордың түйінінде орналасқан теріс зарядталған электрондармен оң зарядталған атомдармен қоршалған, мұндай жүйенің Гамильтонианы төмендегідей түрде болады:

(3)

Бұл жүйе үшін алғашқы жуықтауды Борн — Оппенгеймер ұсынды, ион мен электрон массаларының айырмашылығы үлкен болғандықтан, олардың Гамильтонианының түрі айтарлықтай қарапайым:

(4)

Жұмыста пленканың серпімділік сипаттамаларының оның қалыңдығына тәуелді екені анықталды. Пленканың қалыңдығын арттырған сайын деформация облыстары да өзгеріске ұшырап отырды. Металл емес подложкаға тұндырылған мыс пленкасының қалыңдығы артқан сайын Юнг модулі азаятыны анықталды [3]. Сонымен қатар, жұмыста алынған кристалл массив үшін Юнг модулінің шамасы мыстың кестедегі мәнімен сәйкес келді. Пленканың беттік қабатының атомдық құрылымының бұзылу моментіне сәйкес келетін созылу кезіндегі шектік кернеудің шамасы, моноқабаттар саны артқан сайын кішірейеді. Алты моноқабаттан тұратын пленка бойлық кернеу 13 ГПа шамасына жеткенде бұзыла бастайды және өзінің тұтастығын бойлық созылу деформациясы кризистік шамаға

жеткенге дейін сақтайды. Ал 16 қабатты мыс пленка 8 ГПа кризистік кернеуде және деформацияда бұзылады [4].

Мыс пленкасын зерттеу нәтижесінде, қалыңдығы артқан сайын пленканың серпімділігі кемитіні және оның беріктігі азаятыны анықталды.

Сурет 1. (а) тепе-теңдік күйдегі тұндырылған мыс пленкасының моделі, (б) бойлық кернеудің салыстырмалы деформацияға тәуелділігі

Сурет 2. Бойлық кернеудің салыстырмалы деформацияға тәуелділігі

Сонымен қатар, бұл жұмыста мыс пленкасының төменгі температуралардағы жағдайы зерттелді, пленканың серпімді және беріктік қасиеттеріне температураның әсері анықталды. 2 суретте температурдағы подложка бетінде түзілген әртүрлі қалыңдықтағы мыс пленкасының бойлық кернеуінің салыстырмалы деформацияға тәуелділігі көрсетілген. Алты қабатты мыс пленка бойлық кернеу 17 ГПа шамасында үзіледі және деформацияның

шамасында тұтастығын сақтайды. Он алты қабатты мыс пленка бойлық кернеу 12 ГПа және деформация шамасында бұзылады.

Сондай-ақ, температура төмендеген сайын мыс пленкалардағы кризистік бойлық кернеу артатыны белгілі болды. Төменгі температурада пленка бойлық созылу деформациясына қатысты сынғыш болады. Төменгі температуралар облысындағы Юнг модулінің шамасы бөлме температурасындағы пленка шамасымен сәйкес келеді.

Өте жұқа мыс пленкаларының серпімді қасиеттерін сандық модельдеу үшін бірнеше атомдық қабаттармен моделденген пленканың ұяшығы қолданылды, пленканы барлық үш кеңістіктік бағытта созғанда барлық атомдар еркін қозғалыста болды. Еркін пленканың бойлық деформациясын зерттеуге қолданылған пленканың моделі 3 а суретте көрсетілген. Есептеулер нәтижесі көрсеткендей, бойлық деформация шамасы болғанда пленканың жоғарғы және төменгі сыртқы қабаттарының бұзылу процесі басталады. Деформация шамасы жеткенде пленка құрылымында наноконтакт түзіледі.

Сурет 3. (а) еркін мыс пленкасының тепе — теңдіктегі моделі, (б) бойлық кернеудің салыстырмалы деформацияға тәуелділігі

Бұл жұмыста мыс пен күміс ультра жұқа пленкаларының механикалық қасиеттерінің олардың қалыңдығына тәуелділігі зерттелді. LAMMPS бағдарламалық пакетін қолдана отырып, КМД әдісі арқылы жүйенің беттік құрылымын бұзуға әкелетін салыстырмалы деформация мен кернеудің кризистік мәндері есептелді.

Әдебиет:

1. Алфёров Ж. И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур // Физика и техника полупроводников. — 1998. — Т. 32. — № 1. — С. 3–18.

2. Джойс Б. А., Хекингботтом Р., Менх У. и др. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры. — // Под ред. Л. Ченга, К. Плога. Пер. с англ. под ред. Ж. И. Алферова, Ю. В. Шмарцева. — М., Мир, 1989. — 582 с.

3. Manasevit H. M. Single-crystal gallium arsenide on insulating substrates // Applied Physics Letters. — 1968. — № 12, 156.

4. Уфимцев В. Б., Акчурин Р. Х. Физико-химические основы жидкофазной эпитаксии. — М., Металлургия, 1983. — 224 с.