WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

ванной и аморфной наночастиц кремния. В рассматриваПолный коэффициент подвижности рассчитывали чеемой области температур величина Lb для наночастиц рез средний квадрат смещения атомов согласно выражеSi-стекла не превышает 0.242 нм, а для аморфных нанонию [19] частиц 0.247 нм. В случае макрокристалла кремния Lb N составляет 0.235 нм [20]. Среднее по наночастицам стек1 D = lim [ri(t + t0) - ri(t0)]2, ла значение Lb сокращается на 0.5% при изменении t 6t N i=температуры от 300 до 1700 K, а для аморфных наночагде ri(t) — радиус-вектор i-атома в момент времени t. стиц на 0.2%. В исследуемом температурном диапазоне Смещения атомов в сферической наночастице пред- величина nb для рассматриваемых наночастиц стекла ставимы [19] в виде двух составляющих: радиальной изменяется в диапазоне от 2.77 до 3.77, а для аморфных Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Компьютерное изучение физических свойств наноразмерных кремниевых структур наночастиц от 2.56 до 3.50. В совершенном макрокристалле кремния nb = 4. С ростом температуры среднее по частицам стекла значение nb увеличивается быстрее, чем для аморфных наночастиц. В большей части рассматриваемого температурного интервала величина nb для наночастицы Si500 превосходит соответствующую характеристику наночастиц Si300 и Si400.

Рассмотрим подробнее температурное изменение Lb и nb на примере частиц Si400. Зависимость средней длины связей Si-Si в наночастицах от температуры имеет колебательный характер (рис. 2, a). В случае частицы стекла Si400 величина Lb увеличивается на 0.08%, а для соответствующей аморфной наночастицы на 0.58% при росте температуры от 300 до 1700 K. Наблюдается тенденция к увеличению среднего числа связей Si-Si, приходящихся на атом в наночастицах, с увеличением температуры (рис. 2, b). Для наночастицы стекла Siвеличина nb возрастает на 17%, а для аналогичной Рис. 2. Зависимость средней длины связи Si-Si (a) и среднего числа связей, приходящихся на атом, (b) от температуры для наночастицы Si400: 1 — застеклованное состояние, 2 —аморфное состояние.

аморфной частицы на 14% при увеличении температуры от 300 до 1700 K. Заметим, что число связей, приходящихся на атом, в исследуемых здесь наночастицах Si-стекла практически во всей исследуемой области температур превосходит величину nb для аморфных наночастиц соответствующего размера. Это предопределяет более высокую устойчивость застеклованных наночастиц при высоких температурах.

5. Энергонапряженность наночастиц В целом энергия Eb, приходящаяся на связь, уменьшается с ростом температуры для всех рассматриваемых наночастиц. В случае наночастицы стекла Si300 Eb несколько ниже, чем для двух других наночастиц. Самое низкое значение Eb (-1.41 эВ) получено для наночастицы стекла Si300 при T = 1100 K, а самое высокое (-1.01 эВ) — для аморфной частицы Si500 при 300 K.

Вычисления ab initio для димера Si2 дают значение Eb = -1.56 эВ, а при nb = 3 для 10-атомного кластера Si10 Eb = -1.27 эВ [21].

Наиболее точно энергетическое состояние наночастицы отражает профиль относительной избыточной потенциальной энергии, который оказывается однотипным для аморфных наночастиц и частиц стекла. При температуре Рис. 1. Конфигурации наночастиц Si400, соответствующие 300 K избыточная потенциальная энергия плавно перетемпературе 1700 K: a — стекло, b — аморфный кремний.

Координаты атомов Si x, y, z представлены в нм. ходит от отрицательных значений внутри наночастицы Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 200 А.Е. Галашев, И.А. Измоденов, А.Н. Новрузов, О.А. Новрузова Si400 — на 8-й слой. Самую значительную разницу в энергии между смежными слоями для наночастицы Siдают 5-й и 6-й концентрические слои. Самой высокой энергией обладает наружный 15-й слой. Таким образом, для нагретых до 500 K и выше наночастиц кремния энергетически наиболее выгодная область заключена в среднем сферическом слое наночастицы, содержащем 4 слоя используемой здесь разбивки.

6. Кинетические свойства Для дисперсных частиц, находящихся в твердом состоянии, можно выделить три основных вида диффузии:

Рис. 3. Относительная избыточная потенциальная энергия поверхностная, объемная и по межзеренным границам.

концентрических слоев стеклообразной наночастицы Si500 при Теоретические расчеты показывают, что в отсутствие температуре: 300 (1), 1700 K (2) и нанокристалла Niповерхностного оксидного слоя в области температур при 300 K (3). n — номер концентрического слоя, нумерация от 1273 до 1573 K поверхностная диффузия опредеслоев начинается от центра масс наночастицы.

ляет механизм коалесценции наночастиц кремния [23].

Следующим наиболее активным механизмом этого процесса является диффузия по границам зерен, которая, к положительным значениям в ее наружной части. Кри- однако, уступает поверхностной диффузии 8 порядвая 1 на рис. 3 показывает зависимость U/ U = f (n) ков. Поверхностная диффузия стабильных наночастиц для наночастицы стекла Si500 при T = 300 K.

Здесь же определяется величиной коэффициента Dt. Кинетически отражена аналогичная зависимость для нанокристалла устойчивое состояние наночастицы определяется соотникеля Ni188 при 300 K [22], имеющего в центре сфе- ношением Dt > Dr, которое отражает преобладание сил, рическую полость (кривая 3). Исходный размер по- формирующих поверхностное натяжение, над силами, лости соответствовал объему 13-атомного фрагмента приводящими к разрушению наночастицы. При темгранецентрированного кубического кристалла никеля. пературе 300 K радиальная компонента коэффициента Внутренние слои, прилежащие к полости, имеют более подвижности атомов имеет более высокие значения для высокие значения U, чем смежные с ними слои, внутренних сферических слоев. Эта тенденция выражена более удаленные от центра нанокристалла. Переход от наиболее четко для наночастиц стекла и тем сильнее, внутренних слоев (с U < 0) к наружным (с U > 0) чем больше размер наночастицы. В случае аморфных в частице никеля происходит более плавно, чем в наночастиц кремния уже при низких температурах наночастице кремния, Увеличение кинетической энергии (T 500 K) компоненты Dr и Dt в концентрических наночастиц вызывает перераспределение потенциальной слоях имеют сопоставимые значения. С ростом темэнергии в их концентрических слоях. Для исследуемых пературы наблюдается усиление подвижности атомов частиц число концентрических слоев с энергией Un, в радиальном направлении для наружных концентриболее низкой, чем средняя энергия частицы U, соста- ческих слоев и ослабление таких типов движений во вило 8-9, а количество слоев с Un > U изменялось внутренних слоях наночастиц. В случае частиц стекла от 6 до 7. Рассмотрим подробнее поведение функции при T = 1000 K самые большие значения Dr приходятся U/ U = f (n) для наночастиц стекла. В случае части- на 10-11-й слои для наночастиц Si300 и Si400 и на цы Si500 при T = 1700 K эта функция показана гисто- 13-й слой для частицы Si500. Для аморфных наночастиц граммой 2 на рис. 3. Энергонапряженность появляется кремния при этой температуре компоненты Dr и Dt в уже при T = 500 K. При этом первые 5 внутренних сферических слоях начинают выравниваться. Обращает концентрических слоев наночастицы Si500 приобретают на себя внимание появление более высоких, чем для энергию Un > U. Аналогичное соотношение энергий других слоев, значений Dr и Dt в поверхностной обнаблюдается для первых 6 слоев наночастиц Si300 и Si400. ласти этих наночастиц. В области температуры 1700 K Следующие 4 концентрических слоя (средние слои) происходят сильные изменения в распределениях Dr (n) наночастиц имеют энергию более низкую, чем U. и Dt(n) для наночастиц стекла, особенно для частицы 6 наружных слоев наночастицы Si500 сохраняют энергию Si500 (рис. 4). Средняя величина радиальной компоненты Un > U. Такое же соотношение энергий наблюдает- D наружного (15-го) слоя увеличилась в 8.8 раз для нася для 5 наружных слоев наночастиц Si300 и Si400. ночастицы Si300 и в 2.6 раз для частицы Si400. Для наноБлизкая к рассмотренной картина распределения ве- частицы стекла Si500, напротив, величина Dr 15-го слоя личины U/ U по концентрическим слоям кластеров уменьшилась в 10 раз по сравнению с соответствующим остается и при T = 1700 K. Здесь для наночастицы значением при 1000 K, а максимальное значение Dr Si500 наиболее низкая энергия приходится на 6-й слой переместилось на 12-й слой (рис. 4, a). Четыре других (рис. 3, гистограмма 2), а для наночастиц Si300 и наружных слоя (11-14) характеризуются величиной Dr, Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Компьютерное изучение физических свойств наноразмерных кремниевых структур говорит о кинетической неустойчивости аморфных наночастиц. Таким образом, в области температуры плавления наблюдается кинетическая неустойчивость в случае аморфных наночастиц кремния, тогда как наночастицы стекла имеют более устойчивый жидкий наружный слой.

7. Заключение Результаты проведенного исследования показали, что физико-химические свойства наночастиц кремния, подверженных воздействию высоких температур, зависят от метода получения этих частиц. Поэтому в зависимости от области применения следует подбирать ту или иную технологию получения наноматериалов. Наночастицы Si-стекла могут использоваться в условиях воздействия высоких температур как термически более устойчивые образования, чем аморфные частицы соответствующего размера. В области перехода поведение средней длины связи Lb и среднего числа связей, отнесенных к одному атому nb, определяется как способом получения, так и размером наночастицы. Только при температурах ниже 500 K стеклообразные наночастицы кремния имеют плавное изменение радиального профиля избыточной потенциальной энергии от низких значений внутри наРис. 4. Радиальная (a) и тангенциальная (b) компоненты ночастицы к высоким на ее поверхности. Температуркоэффициента подвижности D атомов для концентрических слоев стеклообразной наночастицы Si500 при T = 1700 K.

ные напряжения делают этот профиль v-образным. Состояние термонапряженных наночастиц характеризуется энергетически существенно различными сферическими слоями. Внутренний и наружный слои подогретой назаметно большей, чем значения Dr остальных слоев.

ночастицы имеют избыточную потенциальную энергию Тангенциальная компонента коэффициента подвижнопо отношению к U. Средний сферический слой хараксти изменяется с температурой во многом подобным теризуется очень низкими значениями потенциальной образом. Особенностью является то, что увеличение энергии. Для ряда атомов этого слоя энергия U в 2 раза Dt в наружных слоях при росте температуры сильнее меньше, чем U.

проявляется для наночастиц стекла большего размера Плавление для исследуемых стеклообразных наноча(Si400 и Si500). Так, при T = 1700 K тангенциальная стиц происходит в температурном интервале от компонента D доминирует в 15-м концентрическом слое до 1700 K. Этот переход идентифицируется по значинаночастиц Si400 и Si500 (рис. 4, b) и в 13-м слое для тельному увеличению коэффициента подвижности аточастицы Si300. Однако и в самом внутреннем (1-м) слое мов D и приближению этой характеристики к велирассматриваемых наночастиц стекла значение Dt при чине D для жидкого кремния. Компьютерное моделиT = 1700 K увеличилось более чем в 3 раза по срав- рование стеклообразной наночастицы Si480 с испольнению с соответствующим значением при T = 300 K.

зованием потенциала SW показало, что плавление в Усредненное по частицам значение коэффициента по- этом случае происходит в окрестности температуры движности D наружного слоя при T = 1700 K состав- T = 1560 K [12]. Величина T представляет среднюю ляет 0.37 · 10-12 м2/с. Экспериментальное значение ко- температуру, характеризующую интервал плавления.

эффициента самодиффузии жидкого кремния при этой В настоящей работе показано, что разбивка объема температуре равно 0.64 · 10-12 м2/с [24]. Существенное наночастицы на концентрические слои и определение увеличение компонент Dr и Dt в наружных слоях нано- компонент Dr и Dt коэффициента подвижности для частиц стекла свидетельствует об образовании жидкого каждого слоя позволяет более точно описать термичеповерхностного слоя при приближении к их температу- ское разрушение наночастиц, в том числе зафиксировать ре плавления. Такая же тенденция уже при T = 1500 K начальную температуру для интервала плавления.

проявляется и для аморфных наночастиц, но здесь есть Начало плавления устанавливается по поведению кисвои особенности. Величины Dr и Dt для внешнего нетического критерия устойчивости, согласно которому слоя превосходят более чем в 2 раза соответствующие наночастица приобретает „жидкоподобное“ поведение значения компонент D в других слоях. Высокое значение как только перемещения атомов в радиальном направлеDt 15-го слоя свидетельствует о появлении жидкого нии начинают доминировать над соответствующими пенаружного слоя, а большое значение Dr этого слоя ремещениями в тангенциальном направлении. При росте Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 202 А.Е. Галашев, И.А. Измоденов, А.Н. Новрузов, О.А. Новрузова температуры, сопровождающемся увеличением плотно- [20] Е.Ф. Шека, Е.А. Никитина. ДАН. Химия, 378, 208 (2001).

[21] M. Menon, K.R. Subbaswamy. Phys. Rev. B, 47, 12 сти наночастицы, существенное увеличение радиальных (2002).

смещений наблюдается только в наружных слоях (для [22] А.Е. Галашев. Поверхность. Рентген. синхротр. и нейтрон.

аморфных наночастиц — в последнем слое). Детальный исслед., № 1, 77 (2005).

анализ распределений радиальной компоненты коэффи[23] S.H. Ehrman, M.I. Acuino-Class, M.R. Zachariah. J. Mater.

циента подвижности атомов по концентрическим слоям Res., 14, 1664 (1999).

показывает, что кинетическая неустойчивость наступа[24] W.M. Robertson. J. Amer. Ceram. Soc., 64, 9 (1981).

ет при температуре 1400 K для аморфных наночастиц Редактор Л.В. Шаронова кремния и при 1500 K для наночастиц Si-стекла.

Таким образом, получены сведения об устойчивости наночастиц кремния; установлено, что при высоких тем- A computer study of the physical пературах различия между застеклованными и аморфныproperties of nanosize silicon structures ми частицами проявляются в их структурных и особенно A.E. Galashev, I.A. Izmodenov, A.N. Novruzov, кинетических свойствах, что и определяет область их O.A. Novruzova практического использования.

Institute of Thermophysics, Работа выполнена при финансовой поддержке преRussian Academy of Sciences, Ural Branch зидиума УрО РАН в рамках интеграционного проекта, 620016 Ekaterinburg, Russia выполняемого в УрО РАН и ДВО РАН.

Institute of Industrial Ecology, Russian Academy of Sciences, Ural Branch 620219 Ekaterinburg, Russia Список литературы [1] Y. Zhao, Y.-H. Kim, M.-H. Du, S.B. Zhang. Phys. Rev. Lett.,

Abstract

The change of the physical properties of vitreous and 93, 015 502 (2004).

Pages:     | 1 || 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.